在哺乳动物的精子发生过程中，XY染色体因无法完全配对而必须经历减数分裂性染色体失活（MSCI），这一过程一旦异常便会直接导致男性不育，但启动之后的转录沉默究竟由哪些分子来执行一直是未知的。近日，山东大学生殖医学研究中心陈子江院士和刘洪彬教授团队与清华大学颉伟教授团队合作完成的研究《Nucleolar components phase separate to establish meiotic sex chromosome inactivation during spermatogenesis》正式发表。该研究利用超高分辨率显微成像、多种条件性基因敲除小鼠以及体外相分离重构等系统，揭示了核仁中的NPM1、SENP3和rRNA在DNA损伤应答信号的下游发生定向迁移，并通过液-液相分离这一物理化学机制将RNA聚合酶II排斥在XY小体之外，从而刚性执行性染色体的转录沉默。
研究团队借助3D结构光照明显微镜对小鼠的精子发生过程进行了精细的追踪观察，作者发现在粗线期精母细胞中核仁的颗粒组分蛋白NPM1和SENP3以及rRNA并没有停留在核仁原有的位置上，而是从常染色体上彻底脱离并逐步向XY小体方向覆盖迁移直到将整个XY小体包裹起来。研究团队发现，与颗粒组分的全局覆盖不同，核仁的致密纤维组分蛋白FBL迁移时间更晚并且最终只局限在XY小体的一个角落，这种高度有序的时空重排表明核仁组分在MSCI中扮演了主动而关键的角色。随后，作者通过构建Stra8-Cre驱动的生殖细胞特异性敲除小鼠，研究团队证实Npm1或Senp3基因缺失后雄性小鼠完全不育，精母细胞发育停滞在粗线期V期，XY小体无法正常形成并呈现出“甜甜圈”状的空心结构，性染色体的凝聚与配对也出现严重缺陷。
研究团队进一步在分子机制层面进行了研究，发现三个核仁组分之间存在紧密的相互依赖关系：SENP3通过对NPM1去SUMO化修饰来促进NPM1与rRNA的结合能力，三者共同富集于XY小体上才能发挥功能。进一步的研究发现这一迁移过程严格依赖于上游的DNA损伤应答信号——当使用ATR激酶抑制剂处理精母细胞时，NPM1会迅速从XY小体上解离，同时RNA聚合酶II重新侵入XY染色体区域并导致XY连锁基因异常激活；而恢复DDR信号或者用激光微束在细胞核内制造DNA损伤时，NPM1又能被快速招募至损伤位点。这些结果清楚地表明DDR信号是触发核仁组分向性染色体迁移的上游开关，而执行转录沉默的正是这些核仁组分本身。
此外，研究团队进一步发现XY小体内的NPM1呈现出典型的液滴融合行为和快速荧光漂白恢复特性。他们在体外重构实验中发现，NPM1与rRNA共同形成的独立相分离液滴能够将转录起始复合物中的TBP和Pol II CTD以及延伸复合物中的pCTD和SPOC排斥到液滴的外围区域，从而显著地抑制转录的活性。作者随后验证了相分离在体内的生理必要性，他们构建了Npm1相分离缺陷突变（W286A/W288A）的敲入小鼠，突变型NPM1蛋白虽然能够正常表达却完全丧失了在XY小体上的聚集能力，呈现弥散分布状态，结果导致RNA聚合酶II无法被有效排除并且XY连锁基因重新上调，小鼠表现出与完全敲除鼠一模一样的不育和精子发生障碍。最后研究团队通过电转回补实验研究发现，只有野生型NPM1能够成功挽救Npm1敲除精母细胞中Pol II异常聚集的缺陷，而相分离缺陷突变体则完全无效。
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