狗万外围充值 王應祥團隊揭示減數分裂重組熱區基因沉默的分子機製
減數分裂是真核生物有性生殖所必需的一種特殊的細胞分裂方式，最終產生單倍體配子。減數分裂重組是減數分裂的核心事件，其起始於保守的DNA拓撲異構酶複合體（SPO11-1/SPO11-2/MTOPVIB）介導DNA雙鏈斷裂（DSB）的產生。減數分裂同源染色體重組除了創造新的等位基因組合，既確保了生物世代間遺傳物質在穩定傳遞，又增加了後代的遺傳多樣性。在酵母、哺乳動物和植物的研究中發現減數分裂DSB沿染色體的分布並非隨機，會優先發生在一些小區域(~1-2kb)，被稱為DSB熱區，其具有顯著的表觀遺傳修飾和基因組特征。植物中發現組蛋白修飾，如H3K4me3、H3K36me3、組蛋白變體H2A.Z等在熱區富集。出芽酵母和植物中都表明DSB傾向發生在基因的轉錄起始位點（TSS），伴隨著低核小體密度，暗示了DSB通常發生在具有轉錄活躍特征的染色體開放區域。有趣的是，DSB位點上的基因轉錄和DNA修複呈現負相關，而植物減數分裂過程中DSB位點上的基因轉錄狀態及其調控機製還未有報道。
圖1. POL ε-SUVH2/9調控減數分裂DSB偶聯的基因沉默的模型
2022年10月3日，王應祥課題組在PNAS在線發表了題為“DNA polymerase epsilon interacts with SUVH2/9 to repress the expression of genes associated with meiotic DSB hotspot in Arabidopsis ” 的研究論文。該研究揭示了植物減數分裂過程中DNA雙鏈斷裂（DSB）位點基因沉默的分子機製，揭示了DNA聚合酶epsilon（POL ε）和SUVH2/9在減數分裂細胞中不同於體細胞中的新功能。
研究者在前期工作中發現了不同DNA聚合酶（Pol α、Pol δ和Pol ε）在減數分裂重組DNA修複環節中作用，其中Pol ε的催化亞基POL2A對減數分裂DSB的修複和重組分布調控至關重要（Huang et al., PNAS, 2015）。然後，細胞進入在進一步探索中，DNA聚合酶仍舊會分布在整個染色體上，本研究報道了其在常染色質DSB富集區域的功能。研究者發現POL2A和RdDM（RNA-directed DNA methylation）的組分SUVH2相互作用。進一步研究驗證了POL2A的N端和SUVH2/9的SET結構域互作，運用N-SIM （Structured Illumination Microscopy）觀察到SUVH2在減數分裂時期與γ-H2AX標記的DSB共定位，並且該定位依賴於POL2A。暗示著POL2A在減數分裂DSB修複過程中招募SUVH2。
RdDM途徑中SUVH2和其同源蛋白SUVH9影響靶位點小RNA的產生和CHH（H表示A、T或G）甲基化。通過高通量測序，研究者發現有別於SUVH2/9在體細胞中抑製TE表達的作用，SUVH2/9和POL2A在減數分裂細胞中共同抑製865個基因的表達。並且這865個基因不直接參與調控減數分裂功能，但在其轉錄起始位點（TSS）區域具有明顯的DSB熱區的特征，包括低核小體密度，A-rich基序和SPO11-1的富集等。這一結果暗示了POL2A和SUVH2/9可能在減數分裂DSB位置發揮著基因沉默的作用。同時研究者發現這一功能並不類似於體細胞中通過調控DNA的甲基化或小RNA來實現，但POL2A和SUVH2/9都影響了減數分裂染色體的濃縮，表明它們可能直接通過調控染色質結構從而抑製基因表達（圖1）。
最後研究者通過遺傳分析還發現了SUVH2/9的突變會進一步加強POL2A突變體的減數分裂DSB修複異常和雄性敗育的表型。並且在各突變體中通常上調表達基因越多伴隨著減數分裂DSB修複異常的缺陷越嚴重。因此我們推測POL2A和SUVH2/9在DSB位點誘導的基因沉默對正常減數分裂DSB修複具有重要意義。
圖1. POL ε-SUVH2/9調控減數分裂DSB偶聯的基因沉默的模型
綜上所述，該研究揭示了植物DSB位置的基因轉錄狀態，發現了DNA聚合酶epsilon和SUVH2/9共同調控減數分裂DSB偶聯的轉錄沉默的新機製（圖1），該機製可能對於減數分裂過程的DSB修複和基因組穩定性至關重要。
万博英超狼队网官方网 王應祥教授的博士後王聰博士為該論文的第一作者，其博士和博士後期間以第一（含共同）在PNAS（2篇）、Plant Cell（1篇）和Plant Physiology（2篇）發表5篇論文。王應祥教授和尤辰江青年研究員為共同通訊作者。北卡羅來納大學教堂山分校Gregory Copenhaver教授，華南農業大學黃霽月教授，狗万外围充值 博士研究生張俊和餘悅也參與了該項工作。相關工作得到了國家自然科學基金委、狗万外围充值 、中國博士後基金和北卡羅萊納大學的資助。
文章鏈接：https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2208441119