NC | 马克斯·普朗克植物育种研究所发现控制拟南芥减数分裂中重组频率的新模型

近日，马克斯·普朗克植物育种研究所Raphael Mercier团队在Nature Communications在线发表了题为“Joint control of meiotic crossover patterning by the synaptonemal complex and HEI10 dosage”的研究论文。该文章发现过表达拟南芥HEI10蛋白增加了减数分裂中的重组频率。通过突变ZYP1影响联会复合体也会导致重组频率的增加，除此之外，还会破除染色体距离和重组率之间的关系。结合HEI10过表达和zyp1突变，导致了大规模和前所未有的重组出现。

有性生殖的一个标志是同源染色体通过减数分裂进行重组（crossovers, Cos）。COs是通过两条生化途径修复DNA双链断裂而产生的：I类重组是由ZMM蛋白催化的减数分裂特异性途径产生的（代表了大多数重组），主要包含酿酒酵母的Zip1-4, Msh4-5和Mer3。拟南芥中的HEI10是Zip2的同源蛋白；第II类重组主要是使用结构特异性的DNA核酸酶，同样也包括DNA的修复。在减数分裂时初始的双链断裂很多，但最终产生的的重组数量是有限的，通常为每对染色体1到3个。第I类重组受到严格的约束：在每次减数分裂中，每个染色体对至少出现一个第I类重组。第I类重组不可以在同一条染色体上的相邻位置出现，这种现象被称为重组干扰。一个多世纪以来，人们一直在争论如何以物理的方式实现这种干扰。

本研究通过分析HEI10剂量和联会复合体的破坏对重组的联合作用，探讨了拟南芥重组模式的机制。结果发现，在zyp1突变体中过表达HEI10完全解除了I类重组的限制，在雌雄个体中重组的数量都大量增加。作者依托研究结果提出了一个HEI10沿联会复合体扩散粗化介导重组进行并施加重组干扰的拟南芥减数分裂重组模型。

为了研究重组的调控机制，作者研究了过表达HEI10、缺少联会复合体（zyp1）和联合表达时，雌性和雄性减数分裂中重组的数量和分布。我们通过计算MLH1-HEI10的数量来测量减数细胞中I类重组的数量（图1A、B）。在纯系中，我们分析了6种基因型：野生型、zyp1对应的三种表达水平、HEI10纯和过表达系和HEI10杂合过表达系。在F1中，我们分析了四种基因型：野生型、zyp1-1和zyp1-6结合两种剂量的HEI10（图1A, B）。我们还利用这四种F1衍生的群体进行测序来研究重组的数量和分布（图1C-F）。

在过表达HEI10的转基因系中，无论在纯系还是在F1中，MLH1位点的数量都增加了两倍。纯和的过表达HEI10转基因系MLH1位点的增加数量大于杂合性的过表达HEI10转基因系，证实了HEI10剂量对重组具有一定的影响，除此之外，在雄性和雌性个体中，HEI10剂量的增加均会引起重组增加，但雄性增加的MLH1数量比雌性更高（p = 0.0001，图1B）。F2测序也证实了这一点，结果显示，与野生型相比，HEI10过表达雌性和雄性的重组增加了2.1倍（图1D–F）。综上所述，过表达HEI10会导致雌性和雄性个体I类重组加倍。同样，对zyp1个体的重组数目统计发现，与野生型相比，雌性的重组增加2.3倍，雄性增加1.5倍（图1D）。这表明， zyp1突变导致I类重组的增加，而且对于雌性个体的影响要大于雄性个体。

过表达HEI10和zyp1突变均会增加重组，但方式不同；前者一定的重组干扰，后者则没有。因此，我们将zyp1突变和过表达HEI10结合起来，并分析了对MLH1数量的影响（图1A, B）。在纯合的过表达HEI10的 zyp1突变体中观察到的MLH1数量明显高于之前报道的，雌性和雄性个体分别达到47.8和45.0倍。

在大多数真核生物中，每个染色体的重组水平受到严格的限制，高水平的重组具有有害的影响。作者探讨了I类重组的大量升高是否与减数分裂染色体分离和生育缺陷有关。与野生型相比，zyp1-1每个果实的种子数减少了8%，这与之前的结果一致，并与报道的zyp1突变体中固有重组的损失是一致的。在zyp1 突变体的HEI10过表达系中，种子数量减少了7%，并且在杂交种中检测到少量非整倍体（7/272），这表明在此背景下也存在轻微的减数分裂缺陷（图2）。

最终，作者提出了一个HEI10蛋白的粗化模型。在这个模型中（图3），HEI10最初沿联会复合体形成多个位点，位点之间的HEI10分子沿联会复合体扩散。如果大位点比小位点更倾向于保留更多的HEI10分子，就会启动一个粗化过程，大位点以牺牲附近小位点为代价生长，导致合适间距的大位点的形成。形成这些大的位点是为了创造一个特定的环境，促进I类重组的形成（例如，通过吸引MLH1/MLH3复合体），并保护重组中间体免受抗重组因子（即FANCM和RECQ）的影响。

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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