减数分裂是有性生殖生物体产生单倍体配子的最基本特征,基因组DNA仅复制一次,生殖细胞连续分裂两次,从而产生功能性单倍体配子。父源和母源染色体在第一次减数分裂前期发生配对、联会、重组和分离,只有这些事件的有序进行,才能确保遗传物质在生物世代间的稳定传递,并由此产生生物遗传多样性。减数分裂过程中,染色体上同源重组的数目和分布受到精细调控。人类配子发生过程中,如发生染色体重组数目及位置异常,将导致无法产生功能性配子或配子质量低下,最终引起不孕不育、自然流产或先天出生缺陷等。对减数分裂调控机制的深入理解,最终使我们能够诊断基于减数分裂异常导致不育症的各种原因,亦能更加有效地应用辅助生殖技术获得功能性配子。在分子水平上,减数分裂同源重组的发生是通过诱导程序性DNA双链断裂（double strand break,DSB）引发的,随后通过同源重组进行DSB修复,最终导致交叉的形成和遗传物质转换。DSB的形成受到精细调控,已知在减数分裂的起始阶段,DSB附近的组蛋白H3第四位赖氨酸被三甲基化修饰（H3K4me3）,这些被认为可以标记未来DSB的形成位置的组蛋白修饰也称作重组热点。在哺乳动物中,这种代表DSB形成位置的组蛋白修饰是通过PRDM9（PR domain-containing protein 9）催化完成的,PRDM9主要表达于第一次减数分裂前期中的细线期和偶线期。PRDM9是一种可与DNA结合的锌指蛋白,该蛋白的羧基端具有长且在遗传上高度可变的锌指结构域,该结构决定了其在基因组中结合的特异性（用于定义重组热点,即DSB产生位置）,该蛋白的SET结构域具有组蛋白甲基转移酶活性,而其KRAB结构域参与了蛋白质-蛋白质相互作用。在酵母中,组蛋白修饰阅读器Spp1（Suppressor of PRP protein 1）通过其PHD（Plant homeodomain）结构域识别启动子附近的H3K4me3,介导DSB的形成。在小鼠中,尽管多项研究表明PRDM9介导的H3K4me3和H3K36me3修饰控制着DSB的形成位置,但对于任何可能读取这些表观遗传标记并因此有助于推进减数分裂重组过程的蛋白质知之甚少。ZCWPW1是包含CW结构域和PWWP结构域的蛋白质家族成员之一。它的锌指CW（zf-CW）结构域具有三个保守的色氨酸残基和四个保守的半胱氨酸残基,结构分析表明人ZCWPW1的zf-CW结构域是组蛋白修饰H3K4me3阅读器,染色质共沉淀分析也证实ZCWPW1的zf-CW结构域可以识别H3K4me3标记。有研究证实,zf-CW结构域与PHD结构域高度同源,均能识别组蛋白修饰H3K4me3。PWWP结构域作为另一种“阅读器”可特异性识别组蛋白修饰H3K36me3。基于以上研究背景,我们提出以下科学问题:组蛋白修饰“阅读器”ZCWPW1可能通过识别PRDM9介导的组蛋白修饰（H3K4me3/H3K36me3）参与减数分裂调控。对ZCWPW1的表达和定位研究发现,ZCWPW1在生殖细胞中特异性高表达,Western blotting实验和免疫荧光实验证实其主要表达定位于第一次减数分裂前期精母细胞和卵母细胞的细胞核中。在胚胎期不同阶段（E12:细线期,E14:偶线期,E16:粗线期）卵巢中,Zcwpw1的表达在偶线期阶段显著上调,而在Stra8和Daz1基因敲除小鼠中（减数分裂启动异常,睾丸中无偶线期精母细胞）,Zcwpw1的表达显著下调。以上结果提示ZCWPW1可能在第一次减数分裂前期发挥重要作用。为了研究ZCWPW1是否参与减数分裂调控,我们构建了全身性Zcwpw1基因敲除小鼠,敲除雄鼠睾丸变小,曲细精管中未见减数分裂后期精子细胞,附睾中未见成熟精子,完全不育。病理分析发现,Zcwpw1基因敲除小鼠曲细精管中出现精母细胞减数分裂阻滞、凋亡细胞增多和空管化现象。通过染色体铺片染色分析发现,Zcwpw1基因敲除小鼠精母细胞减数分裂阻滞在偶线期阶段,未见粗线期及之后的精母细胞,阻滞在偶线期阶段的精母细胞平均仅有7-8对同源染色体可以起始或完成联会,超高分辨结果显示已经联会的同源染色体结构并无异常。通过一系列对曲细精管的病理分析实验以及对同源染色体联会进展和其结构分析实验,证实Zcwpw1基因敲除小鼠精母细胞减数分裂阻滞在偶线期阶段。第一次减数分裂前期,伴随同源染色体联会,还会发生SP011等分子介导的程序性DNA双链断裂和同源重组过程。为了进一步探讨Zcwpw1基因敲除小鼠精母细胞减数分裂阻滞在偶线期阶段的原因,我们对精母细胞减数分裂过程中DSB的产生、修复和同源重组进行分析。通过对精母细胞染色体铺片γH2AX/SYCP3共染,发现在敲除组精母细胞中,减数分裂阻滞在类粗线期阶段,未完成联会的染色体上仍然存在大量γ H2AX信号,未见XY小体形成。表明Zcwpw1基因敲除小鼠精母细胞中DSB可以产生,但无法被完全修复。对精母细胞染色体铺片进行早期重组分子RPA2/SYCP3、RAD51/SYCP3、DMC1/SYCP3共染,发现在敲除组类粗线期精母细胞未联会染色体轴上仍然有大量PRA2/RAD51/DMC1信号残留。对精母细胞染色体铺片进行重组节分子MLH1/SYCP3共染,发现Zcwpw1基因敲除类粗线期精母细胞中无MLH1信号。以上结果表明Zcwpw1基因敲除导致精母细胞同源重组异常无法形成重组节。基因组DNA发生损伤后,会激活DNA损伤反应（DNA damage response）,在减数分裂过程中,DDR相关蛋白促进同源重组和联会的顺利进行。在哺乳动物中,DDR相关蛋白可以识别并介导未联会染色体的转录沉默（Meiotic si1encing of unsynapsed chromatin,MSUC）,在雄性减数分裂过程中,MSUC仅限于未完全联会的X和Y染色体,这一过程也被称为减数分裂性染色体失活（Meiotic sex chromosome inactivation,MSCI）。对精母细胞染色体铺片进行MSUC起始因子BRCA1/SYCP3共染,在Zcwpw1基因敲除类粗线期精母细胞中,BRCA1信号大量富集在未联会的染色体上,提示Zcwpw1基因敲除类粗线期精母细胞中存在MSUC异常现象。对出生14天（减数分裂进展到偶线期阶段,对照小鼠和敲除小鼠精母细胞中均存在大量未联会染色体）小鼠睾丸组织进行转录组测序,发现跟对照组相比Zcwpw1基因敲除小鼠睾丸中,81.8%（464/567）的差异表达基因表现为下调,提示Zcwpw1基因敲除导致MSUC异常。前期表型分析发现,Zcwpw1基因敲除导致精母细胞减数分裂阻滞在偶线期阶段,无法形成XY小体,为了研究Zcwpw1基因敲除是否会导致MSCI的异常,对出生17天（减数分裂进展到粗线期阶段,对照小鼠精母细胞出现MSCI）小鼠睾丸组织进行转录组测序,发现跟对照组相比Zcwpw1基因敲除小鼠睾丸中,性染色体相关基因表达显著上调,表明Zcwpw1基因敲除导致MSCI异常。对出生14天小鼠睾丸组织进行蛋白质组分析发现Zcwpw1基因敲除导致染色质重塑相关基因表达失调,提示ZCWPW1可能通过影响染色质重塑参与减数分裂调控。精母细胞和卵母细胞减数分裂在时间上存在一定差异（雄性小鼠减数分裂起始于出生后第8天,雌性小鼠减数分裂起始于胚胎期13.5天）,ZCWPW1在精母细胞和卵母细胞中的表达和定位也存在一定差异（ZCWPW1在粗线期精母细胞中仅定位于XY小体,而在粗线期卵母细胞中弥散分布于整个细胞核）,与Zcwpw1基因敲除雄鼠无精症不同,Zcwpw1基因敲除雌鼠表现为继发性卵巢早衰。在三月龄之前生育力正常,五月龄生育力显著降低,八月龄出现卵巢早衰。进一步分析发现在减数分裂起始的胚胎期13.5天,Zcwpw1基因敲除小鼠卵巢储备并无异常,在出生后1天卵巢储备显著下降,而到出生后8天,敲除小鼠卵巢储备只有对照小鼠的15%左右,染色体铺片分析显示胚胎期减数分裂进程延缓导致部分卵母细胞在出生后大量丢失。通过对Zcwpw1基因敲除小鼠表型分析,明确ZCWPW1参与减数分裂调控。为了阐明ZCWPW1是否通过识别PRDM9介导的组蛋白修饰参与减数分裂调控,我们在一系列动物模型中利用ChIP-seq实验发现,ZCWPW1特异性富集在重组热点附近的双组蛋白修饰H3K4me3和H3K36me3区域,在Zcwpw1基因CW结构域点突变小鼠中证实ZCWPW1对于染色质的识别依赖于其CW结构域,在Prdm9基因敲除小鼠中证实ZCWPW1定位到染色质双组蛋白修饰H3K4me3和H3K36me3区域依赖于PRDM9的催化活性。综上,研究发现组蛋白修饰“阅读器”ZCWPW1在雌雄两性减数分裂过程中发挥不同功能。Zcwpw1基因敲除雄鼠不育,精母细胞发育阻滞在第一次减数分裂偶线期阶段,伴有DNA双链断裂修复异常,“交叉重组”形成缺陷;另一方面,Zcwpw1基因敲除雌鼠部分卵母细胞可以完成减数分裂,但跟对照组相比,卵母细胞第一次减数分裂进程减慢,Zcwpw1基因敲除雌鼠早期可维持正常生育力,后期呈现卵巢早衰（POI）表型。已有文献研究表明,第一次减数分裂早期程序性DSB的产生和修复是减数分裂染色体行为的分子基础。PRDM9介导的H3K4me3和H3K36me3修饰在程序性DSB位点形成中发挥重要作用,我们首次证明ZCWPW1特异性识别由PRDM9介导的重组热点附近的H3K4me3和H3K36me3修饰,参与减数分裂DNA双链断裂修复过程。我们的系列研究为阐释表观遗传调控在减数分裂中的作用及雌雄两性在减数分裂进程中的差异提供了证据,并有望为男性不育症和女性POI的诊断、治疗以及新型药物开发提供候选标靶分子。