3 Freund oder Feind: Paarung und Synapse heteromorpher Geschlechtschromosomen
Paarung und Rekombination meiotischer Chromosomen sind Schlüsselereignisse für eine erfolgreiche sexuelle Reproduktion. Sobald ein sexueller Antagonismus auf den Proto-Geschlechtschromosomen festgestellt wurde, sind diese Mechanismen für die Geschlechtschromosomenfunktion kontraproduktiv. Andererseits ist die chromosomale Paarung auch für die Segregation in der meiotischen Anaphase I wesentlich. Der synaptonemale Komplex (SC) ist eine hochgeordnete und komplexe Struktur, die in Prophase I zusammengesetzt ist. Er dient dazu, den Paarungsprozess zwischen homologen Sequenzen bis zu Überkreuzungen zu vermitteln und aufrechtzuerhalten ( COs) oder Chiasmata werden etabliert und das Diplotenstadium hat begonnen, um sich auf Metaphase I und Segregation vorzubereiten. Da der SC eng mit dem Rekombinationsprozess, der DSB-Auflösung und in jüngerer Zeit der CO-Interferenz und der Verteilung der CO-Maschinen verbunden ist, wirken sich Mutationen in den Kernkomponenten negativ auf die Gametenproduktion und -fruchtbarkeit aus (Libuda, Uzawa, Meyer, Villeneuve, 2013; Rog, Kohler, & Dernburg, 2017).
Die grobe Anordnung des SC ist eine dreigliedrige Struktur, die die Ausrichtung überbrückt Chromosomenachsen und zusammengesetzt aus (1) axialen Elementen (AE), die nach SC-Montage als laterale Elemente (LEs) bezeichnet werden, (2) Querfilamenten (TFs), die an die LEs gebunden sind, und (3) den zentralen Elementen (CEs), die dienen dazu, die TFs zu verbinden und die SC-Montage abzuschließen. Die Montage, Wartung und Demontage von SC ist ein hochdynamischer und flüssiger Prozess, der hochspezialisierte strukturelle und nicht strukturelle Komponenten umfasst, deren Regulierung unklar bleibt (Biswas, Hempel, Llano, Pendas, & Jessberger, 2016; Rog et al., 2017). In Bezug auf die evolutionäre Konservierung besteht eine bemerkenswerte Inkongruenz zwischen der hohen Konservierung der Strukturkomponenten und ihrer Anordnung zwischen Pflanzen, Insekten, Würmern, Hefen, Vögeln und Säugetieren und der geringen Konservierung der zugrunde liegenden Aminosäuresequenzen der wichtigsten SC-Proteine ( Casey, Daish, Barbero, & Grutzner, 2017; Fraune et al., 2016). Trotzdem bleiben bestimmte Strukturmotive und Sekundärstrukturen erhalten, wie z. B. die Coiled-Coil-Domänen der CEs.
Interessanterweise zeigen SC-mutierte Mäuse Unterschiede im Ausmaß der synaptischen Fehler, die erforderlich sind, um einen Checkpoint-Arrest und eine Apoptose zwischen diesen zu induzieren die Geschlechter (Bolcun-Filas et al., 2009; Yang et al., 2006). Der Verlust des synaptonemalen Komplexproteins 2 (Sycp2) oder 3 (Sycp3) bei Männern führt zu einer allgemeinen Verringerung der Synapse und des Spermatozytenverlusts bei Pachyten durch Zelltod, während bei Eizellen diese Strenge bei der Paarüberwachung verringert wird, was zu einer hohen Häufigkeit von Segregationsfehlern führt und Aneuploidie (Yang et al., 2006; Yuan et al., 2002, 2000). Dies weist auf geschlechtsspezifische Unterschiede in den meiotischen Kontrollpunktwegen des Kerns hin, die für die beobachtete höhere Häufigkeit von Chromosomenfehlern bei weiblichen Gameten verantwortlich sein können.
Während die allgemeine Struktur und Rolle des SC bei der meiotischen Chromosomenorganisation hoch konserviert ist, sind sie signifikant Variationen im Montageplan und Abhängigkeit von der Aktivierung des DNA-Doppelstrangbruchs (DSB) für die Synapse. Eine solche Diversität zeigt sich bei weiblichen D. melanogaster und C. elegans, bei denen Paarung und Synapsen unabhängig von der Rekombination auftreten können, und bei männlichen D. melanogaster, denen die Rekombination insgesamt fehlt, sowie bei S. pombe und A. nidulans, die eine rekombinationsunabhängige und abhängige Paarung aufweisen jeweils, die in Abwesenheit eines SC auftreten können (Bahler, Wyler, Loidl, Kohli, 1993; Cahoon Hawley, Hawley, Haw4, 1993); 2013; Egel-Mitani, Olson, & Egel, 1982; Rog & Dernburg, 2013). Drei bemerkenswerte Beispiele für heteromorphe Geschlechtschromosomen unterstreichen diese Flexibilität und strukturelle Anpassungsfähigkeit der SC-Kernproteine, eines bei Beuteltieren mit einer als dichte Platte bezeichneten Struktur, eines bei weiblichem Huhn mit nicht homologer Synapse während des ZW-Ausgleichs und eines bei männlicher Schnabeltier-Meiose Massive Ansammlungen eines strukturellen Kohäsins (Casey et al., 2017).
Andere Variationsquellen im SC umfassen zahlreiche posttranslationale Modifikationen, die für eine getreue Orchestrierung der SC-Assemblierung und -Demontage im Kontext des DNA-Schadenswegs erforderlich sind Aktivierung, Homologiesuche und Crossover-Bildung. Solche wesentlichen Modifikationen umfassen SUMOylierung, Acetylierung und Phosphorylierung und können Zellzyklusregulatoren wie CDK1-CyclinB und poloähnliche Kinasen (PLKs) umfassen. In jüngerer Zeit hat das 26S-Proteasom eine Rolle bei der Paarung homologer Sequenzen in angehender Hefe gezeigt (Ahuja et al., 2017; Rog et al., 2017).