減數分裂是真核生物有性生殖所必需，同源染色體間重組是減數分裂的核心事件，既保證了基因組的穩定性又產生了後代的遺傳多樣性。根據經典的DNA雙鏈斷裂（Double strand break，DSB）修複模型，重組起始於程序化產生的DSBs，斷裂的DSB末端進一步切割形成3′單鏈DNA（single strand DNA, ssDNA），然後RPA（Replication protein A）結合ssDNA防止其降解，RPA接下來被重組酶RAD51和DMC1取代，形成由RAD51/DMC1包裹的螺旋狀單鏈核蛋白纖維，尋找同源染色體的同源序列進行配對，入侵形成重組中間體D-loop和隨後的double Holliday Junction（dHJ），重組中間體解開產生同源染色體間的交換（Crossover，CO）和非交換。
在大部分生物中，CO在染色體上非隨機分布。19世紀20年代，Sturtevant和Muller研究果蠅減數分裂發現染色體上緊密相鄰CO的數目遠低於預測的數量，並且CO之間的距離也比隨機分布更均勻，暗示存在影響CO形成和分布的潛在機製。1915年，Sturtevant首次將這一現象命名為“交叉幹涉”（Crossover interference），指的是一個CO的產生會抑製染色體上相鄰位置形成另一個CO的現象（Sturtevant A H. Zeitschrift für induktive Abstammungs-und Vererbungslehre, 1915, DOI: 10.1007/BF01792906）。然後，100多年來，雖然人們發現了多個蛋白參與這個過程，但是其作用的具體機製一直懸而未決。
隨著對減數分裂過程的進一步認知，研究發現真核生物減數分裂普遍產生兩類CO：幹涉敏感型（I型）和幹涉不敏感型（II型），其在染色體上的數目和分布受到嚴格的調控。已報到的大部分生物減數分裂產生的主要是I型CO，受到一類保守的ZMM蛋白（Zip1、Zip2、Zip3、Zip4、Msh4、Msh5和Mer3）及MLH1/3調控。植物HEI10是酵母Zip3的同源蛋白，其突變導致I型CO缺失。因其可以特異地在I型CO形成的位置定位，也被作為動植物中I型CO的主要標誌物。小鼠和擬南芥中的證據都表明HEI10的量與I型CO的數目正相關，其作用機製不清楚。HEI10蛋白質最顯著的結構特征是具有N端保守的RING結構域，可能作為E3泛素連接酶發揮功能，但其直接的底物也仍然不清楚。
基於ZMM蛋白HEI10具有在CO位置聚集的特征，本研究首次通過實驗在體內和體外證明了HEI10蛋白質具有發生液液相分離（Liquid-liquid phase separation，LLPS）的特性，該生化特性依賴於第70位絲氨酸（Ser）。Ser70點突變後與hei10 T-DNA插入的突變體表型一致，我們證明了該點突變可能通過影響蛋白質結構從而導致HEI10無法發生相分離。有趣的是，在煙草中共表達HEI10和其他I型CO蛋白的時候，我們觀察到了HEI10可以促進其他I型CO蛋白形成點狀的共定位信號，反之其他I型CO對於HEI10蛋白質的聚集也有部分促進作用。但是這種相互促進現象並沒有在HEI10和II型CO蛋白之間發生。這就暗示了在減數分裂CO形成的過程中，I型CO相關的蛋白質很可能是通過相分離的機製共同聚集於CO發生的位置，以促進I型CO的形成（圖1）。利用這一機製，可以很好地解釋“交叉幹涉”現象，即相分離過程中小的蛋白質液滴逐漸融合成大的condensate，相鄰區域幾乎不會出現兩個CO。這和近期的細胞學研究有異曲同工之妙，研究者通過超分辨率顯微鏡觀察發現，HEI10蛋白在早期減數分裂染色體上由密集的小點逐漸聚集，隨著減數分裂進程，最終形成隻定位在I型CO位置的大的點狀信號，該研究結合數學模型計算分析提出了HEI10在染色體上逐漸聚集的“粗化模型”。
此外，本研究還證明了擬南芥HEI10的E3泛素連接酶活性，並篩選到了其底物ssDNA結合蛋白RPA1a，並揭示了HEI10的相分離對於RPA1a的泛素化降解具有促進作用。
圖1：相分離調控減數分裂幹涉敏感型CO形成的模型
綜上所述，本研究首次揭示了重組蛋白的相變機製，支持了前人對交叉幹涉提出的“粗化模型”，為一個多世紀前發現的交叉幹涉現象提供了合理解釋。由於HEI10以及ZMM蛋白質在物種中的保守性，我們推測這一機製在真核生物中也是保守存在的，這對於進一步深入理解減數分裂重組形成過程有著十分重要的意義。
万博英超狼队网官方网 博士生王天一為文章的第一作者，狗万外围充值 /嶺南現代農業生物與技術廣東省實驗室/華南農業大學王應祥教授，華南農業大學王聰教授，美國北卡羅來納大學教堂山分校Gregory Copenhaver教授為共同通訊作者。華南農業大學尤辰江教授和賈倩副教授也提供了指導和幫助，狗万外围充值 已畢業的王宏寬和連啟超博士也參與了該項工作。該研究得到了國家自然科學傑出青年基金、狗万外围充值 遺傳工程國家重點實驗室、嶺南現代農業生物與技術廣東省實驗室和華南農業大學“雙一流”建設經費的資助。