2023年8月19日，王應祥課題組在Nature Communications在線發表了題為“SCFRMF mediates degradation of the meiosis-specific recombinase DMC1”的研究論文（https://www.nature.com/articles/s41467-023-40799-5）。該研究首次在真核生物中揭示了減數分裂特異重組酶DMC1受到泛素化修飾並通過蛋白酶體降解的分子機製，並證實了DMC1的穩態維持是保證同源染色體發生重組和交換的基礎。
減數分裂是真核生物有性生殖產生單倍體配子（精子或卵子）所必需的細胞分裂形式，經過一次DNA複製及兩次細胞核分裂，產生染色體數目減半的配子，雌雄配子融合後染色體數目又恢複正常，從而保證了遺傳物質的穩定性。減數分裂過程中同源染色體間的重組既確保了同源染色體間遺傳信息發生交換，又促進了種群的演化和生物多樣性的形成。減數分裂重組起始於SPO11介導的程序性DNA雙鏈斷裂（Double-strand breaks，DSBs），並依賴於進化上高度保守的RecA類重組酶DMC1和RAD51對其進行修複，隨後二者從染色體上解離下來，從而使後隨的重組因子能夠結合至染色體上，最終產生交換（Crossover，CO）或非交換（Non-crossover，NCO）。其中，DMC1為真核生物中高度保守的減數分裂特異重組酶，傾向於選擇同源染色體為修複模板。多個物種中的研究表明，DMC1是減數分裂中的主效重組酶，而RAD51發揮輔助功能。從1992年發現至今30餘年，對於DMC1的研究集中於其調控減數分裂重組的作用機製，而對其蛋白質的修飾和降解機製尚不清楚。
本研究利用質譜鑒定並結合生化實驗發現擬南芥減數分裂特異重組酶DMC1能夠發生泛素化修飾並通過26S蛋白酶體降解，並進一步鑒定到一對減數分裂功能冗餘的F-box蛋白RMF1（Reduced Male Fertility 1）和RMF2 （Reduced Male Fertility 2），rmf1和rmf2單突變體生長發育未見異常，而雙突變體rmf1 rmf2表現類似於dmc1的減數分裂重組異常。體內體外實驗證明RMF1/2通過其N端的F-box結構域與E3複合體SCF的ASK1亞基相互作用；遺傳分析表明RMF1/2與ASK1特異地參與 DMC1介導的減數分裂重組通路。進一步研究證實RMF1/2通過其C端結構域與DMC1的C端相互作用，暗示RMF1/2作為SCFRMF1/2複合體的F-box亞基參與DMC1的調控。通過泛素化及蛋白質降解實驗證實，RMF1/2介導DMC1的泛素化並促進其通過26S蛋白酶體降解。利用質譜鑒定到DMC1的潛在泛素化位點（賴氨酸殘基，K），並將K突變為不能發生泛素化的精氨酸（R），構建了相應的DMC1-6KR變體。通過AlphaFold預測，DMC1-6KR的蛋白質結構沒有發生變化；植物體內實驗及生化實驗證實，DMC1-6KR的亞細胞定位不受影響，並且同樣能夠與RMF1/2相互作用，但其泛素化水平及降解水平均顯著低於DMC1，暗示這些位點對於DMC1泛素化及降解的重要性。為了進一步驗證DMC1泛素化對減數分裂重組的影響，本項目將DMC1全長基因組（DMC1g）及變體DMC1-6KR全長基因組（DMC1g-6KR）轉回至dmc1突變體中，發現DMC1g可以完全恢複dmc1突變體的減數分裂異常表型；而DMC1g-6KR/dmc1中DMC1的蛋白質水平顯著高於DMC1g/dmc1，但無法恢複dmc1突變體的減數分裂重組異常。進一步證實了以上位點對於DMC1泛素化的重要性，並暗示DMC1泛素化及其蛋白質水平對於減數分裂重組
至關重要。
綜上所述，本研究首次在鑒定到了減數分裂功能性F-box蛋白RMF1/2，揭示了RMF1/2介導DMC1的泛素化並通過26S蛋白酶體降解的分子機製。由於減數分裂重組和重組酶DMC1在真核生物中的高度保守性，我們推測本研究發現的DMC1泛素化調控和降解機製在真核生物中也相對保守。同時也證實了DMC1的穩態維持機製是保證減數分裂重組順利進行的基礎。研究結果不僅豐富了減數分裂重組的分子機製，還為作物遺傳育種及人類生殖健康提供了理論基礎。
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