在减数分裂的前期，同源染色体需要相互识别并建立物理接触，这一过程被称为同源配对。同源染色体配对是减数分裂过程中一个至关重要的步骤，确保真核生物在生殖细胞形成时能够正确地减少染色体数目并保持基因组的完整性。在哺乳动物等大多数生物的第一次减数分裂前期，染色体通过端粒束缚在内核膜上，然后由细胞骨架力驱动染色体沿着内核膜运动（RPM），并形成“花束”（Bouquet）结构，促进同源染色体的正常配对。不同于端粒驱动的快速染色体运动和“花束”结构，秀丽隐杆线虫依赖染色体上的特定区域——配对中心（Pairing Centers, PCs）——完成同源染色体的识别和配对。
秀丽隐杆线虫有6对染色体，每条染色体的一端存在长度为几兆碱基的配对中心序列。配对中心包含高密度的11/12 bp重复序列，并通过这些重复序列招募减数分裂特异的ZIM/HIM-8家族锌指蛋白（包括ZIM-1、ZIM-2、ZIM-3和HIM-8）。这些锌指蛋白通过其串联C2H2锌指结构域（ZF1-2）和C端结构域（CTD）特异识别特定的PC重复序列，从而实现染色体的准确识别和配对。其中，HIM-8特异性结合于X染色体配对中心（X Chr PC），ZIM-1结合于II号和III号染色体配对中心，ZIM-2结合于V号染色体配对中心，ZIM-3结合于I号和IV号染色体配对中心。ZIM/HIM-8家族蛋白质ZF1-2-CTD结构域的序列一致性大约为30%，且其识别的不同配对中心DNA重复序列也具有相似的结构特征，但这些蛋白质与配对中心序列的结合表现出高度的特异性。揭示ZIM/HIM-8与PC DNA相互作用的选择性机制对于深入理解同源染色体配对的调控机制具有重要意义。
2024年11月28日，中国科大施蕴渝/李福东课题组和光寿红课题组合作揭示了ZIM/HIM-8家族蛋白质与染色体配对中心特异识别的分子机制，并以《Structural basis for C. elegans pairing center DNA binding specificity by the ZIM/HIM-8 family proteins》为题在《Nature Communications》发表。该研究综合利用结构生物学、生物化学和遗传学方法，揭示了ZF1-2-CTD结构域与对应的染色体PC基序共同进化的分子机制，以确保ZIM/HIM-8家族蛋白质对特定PC基序的特异性识别。
图1 ZIM/HIM-8 ZF1-2-CTD与染色体配对中心DNA基序共进化模型
研究人员分别解析了HIM-8 ZF1-2-CTD与X Chr PC DNA、ZIM-2 ZF1-2-CTD与Chr V PC DNA以及ZIM-1 ZF1-2-CTD与Chr II/III PC DNA的复合物晶体结构。结构分析表明，在ZIM/HIM-8家族蛋白质中，ZF1、ZF2和CTD共同折叠成一个完整的结构单元，CTD与ZF1-2之间存在广泛的相互作用。当与DNA结合时，ZF1-2插入DNA大沟，参与DNA碱基的直接接触，这些直接接触的氨基酸残基在ZIM/HIM-8家族蛋白质中高度保守。HIM-8 ZF1-2-CTD蛋白质中参与碱基直接接触的氨基酸残基的突变会导致其与X Chr PC DNA的亲和力显著降低或丧失，相应的秀丽隐杆线虫突变体中HIM-8蛋白质定位受损，染色体分离遗传，后代雄性比例升高。
CTD虽然不参与DNA碱基的接触，但与ZF1-2结构域以及DNA磷酸骨架之间存在大量相互作用。将HIM-8与ZIM-2的CTD结构域交换得到嵌合突变体，体外和体内实验结果均表明该嵌合突变体的CTD结构域对于蛋白质与DNA的特异性识别非常重要。另外，不同染色体配对中心基序的TTGG子位点和TG子位点之间的核苷酸序列和数目存在差异，这对蛋白质与DNA的特异性识别起着关键作用。这些发现为进一步理解同源染色体配对的分子机制奠定了基础，并为转录因子如何进化以获得新的结合特异性提供了良好的研究体系。
本文的第一作者是中国科学技术大学生命科学与医学部博士生李美丽，中国科学技术大学生命科学与医学部李福东副教授、光寿红教授和施蕴渝教授为本文的共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、中科院先导B，科技部重点研发项目和中央高校基础科研业务费专项资金等项目的资助，以及教育部无膜细胞器与细胞动力学重点实验室、合肥微尺度物质科学国家研究中心、生物医学与健康安徽省实验室的大力支持。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54548-9