西南大学许一丰组发现调控拟南芥线粒体DNA复制的新机制

线粒体是拥有独立基因组的半自主细胞器，其为真核生物的生命活动提供能量且不可或缺。然而，维持线粒体功能的绝大部分蛋白均由细胞核编码，线粒体基因组仅编码有限的线粒体蛋白。在酵母和小鼠中，单链DNA结合蛋白SSB（single-stranded DNA-binding）是线粒体DNA（mitochondrial DNA, mtDNA）复制机器的核心成员，其功能缺失直接导致mtDNA复制无法启动，引起线粒体氧化磷酸化系统的紊乱。人类mtDNA损伤或衰竭常常与各种癌症的发病直接相关。模式植物拟南芥的mtDNA大小约为368 kb，是人类的20多倍。与动物中不同的是，植物mtDNA包含大量的非编码序列及重复序列，这些重复序列引起高度频繁的同源重组（homologous recombination, HR）和基因组重排事件。在拟南芥中，线粒体-叶绿体双定位DNA聚合酶POLIA和POLIB负责mtDNA的复制。然而，目前关于植物线粒体SSB的生物学功能及mtDNA的复制机制的了解比较有限。

西南大学许一丰课题组发现拟南芥线粒体SSB1参与了种子萌发过程中ABA信号通路和线粒体内含子RNA的剪接过程（Qian et al., 2021）。在此基础上，该课题组近日在JIPB在线发表了题为“Arabidopsis mitochondrial SSB1 and SSB2 are essential regulators of mtDNA replication and homologous recombination”（https://doi.org/10.1111/jipb.13338）的研究论文。该研究解析了拟南芥线粒体SSB1和SSB2在mtDNA的复制和同源重组过程中的生物学功能。利用CRISPR-Cas9基因编辑系统获得了拟南芥SSB1和SSB2的基因功能缺失突变体，发现突变体的种子萌发和幼苗生长受到严重抑制。此外，从SSB1或SSB2基因功能缺失杂合突变体后代分离而来的纯合植株虽然可以开花结果，但无法产生有活力的后代种子。随后，该研究证实SSB1与SSB2间存在直接的相互作用。通过检测线粒体基因组不同位置的23个基因片段，发现SSB1与SSB2基因敲除突变体中mtDNA的含量是野生型的2-4倍，表明SSB1/2负调控线粒体DNA的复制过程（图1）。通过分析SSB1与POLIA/B间的遗传关系，发现SSB1/2在POLIA和POLIB的上游发挥作用。此外，通过检测SSB1与SSB2敲除突变体中mtDNA重组频率，发现SSB1/2在mtDNA重组过程中也具有重要作用。后续研究结果表明，SSB1/2可能通过与另一种植物特有的细胞器单链DNA结合蛋白（organellar single-stranded DNA binding protein 1, OSB1）竞争性结合单链DNA从而参与调控mtDNA复制和mtDNA同源重组过程。

当SSB1或SSB2功能缺失后，其对OSB1的竞争性抑制消失，导致mtDNA同源重组受损。与此同时，SSB1/2对细胞器DNA聚合酶POLIA和POLIB的抑制解除，导致mtDNA被过度复制。有意思的是，该研究发现在ssb1-1突变体中引入polIa，polIb或osb1突变后，ssb1-1突变体的主根生长抑制表型随着mtDNA含量下降而得到一定的缓解，表明mtDNA过度复制可能会抑制植物主根生长。总之，该研究发现了植物SSB不同于酵母和动物SSB的生物学功能，为最终解析植物mtDNA复制的分子机制奠定基础。

西南大学生命科学学院许一丰教授为本文的通讯作者，博士后钱皆为本文的第一作者和共同通讯作者。许一丰课题组近年来一直致力于辣椒种质资源创制和植物抗逆的分子机制解析工作，团队常年招聘博士后人员，热忱欢迎各位有识之士加入。该研究得到了重庆市自然科学基金博士后项目的资助。

转自：iPlants

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