中国科学院最新Nature！拿下减数分裂同源重组研究领域的“圣杯”！

小木虫 · 公众号 · · 2025-02-21 12:00

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Spo11复合物催化 DNA 双链断裂（DSB）的形成，启动减数分裂重组—这一过程对生育能力和遗传多样性至关重要。尽管Spo11的功能已经为人所知 27 年，但之前在体外重建DSB一直没有成功。

2025年2月19日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心童明汉、上海交通大学黄旲共同通讯在Nature在线发表题为“In vitro reconstitution of meiotic DNA double-strand-break formation”的研究论文，该研究在体外表达纯化了SPO11-TOP6BL复合体，解析了它的生化特性，并成功在体外重现了减数分裂DSB的形成。

该研究对小鼠spo 11–TOP6BL蛋白复合物进行了生化表征，并表明该复合物在体外切割DNA并共价连接到DNA断裂的5’末端。使用点突变策略，揭示了Mg2+对于这种复合物的体外DNA切割活性是必不可少的，正如携带SPO11点突变的敲入小鼠所证实的，该点突变破坏了其与Mg2+的结合，从而消除了DSB的形成。然而，SPO11复合物的活性不依赖于ATP。还提出证据表明，小鼠SPO11复合物在生化上不同于祖先拓扑异构酶VI。该发现为理解减数分裂重组的第一步建立了一个机械框架。

减数分裂是一个基本的生物学过程，在大多数有性生殖生物中，减数分裂从二倍体祖细胞产生单倍体配子，是有性生殖的基础。同源重组是减数分裂最显著的特征，它增强了遗传过程中的遗传多样性，建立了同源物之间的物理联系，以确保减数分裂前期I的精确分离，并保持物种内染色体数目的稳定。这一过程由热点DNA DSBs的程序化诱导启动，这在大多数哺乳动物中由PRDM9决定。早在1997年，使用酿酒酵母作为模型，已知减数分裂DSB由Spo11催化，Spo11是一种广泛保守的蛋白质。随后在2000年使用小鼠进行的研究表明，SPO11在哺乳动物减数分裂中具有类似的作用。

众所周知，SPO11属于DNA拓扑异构酶VI (topo VI)家族，是ATP/ Mg2+依赖的异四聚体型IIB拓扑异构酶，由两个Top6A和两个Top6B亚单位组成。topo VI的活性取决于Top6A和Top6B亚单位之间的相互作用。SPO11与topo VI家族的催化亚单位Top6A亚单位具有广泛的同源性。Top6B亚基的小鼠直向同源物，TOP6BL(与人C11orf80同源，在小鼠中也称为Gm960)，可与SPO11相互作用，仅在2016中被鉴定。众所周知，在体内，SPO11–TOP6BL复合物对于减数分裂DSB的形成是必不可少的。

SPO11–TOP6BL DNA切割活性的表征（图源自Nature）

在过去的 27 年里，研究人员一直在努力表征Spo11复合物的生化性质和结构。研究表明，酿酒酵母Spo11及其伴侣Rec102、Rec104 和Ski8在体外与 DNA 结合。此外，酵母 Spo11 核心复合物的冷冻电子显微镜结构已被确定为高达3.3 Å，尽管有这些进展，SPO11复合物如何催化DNA切割，特别是在哺乳动物中，仍然是未知的。

在这项工作中，研究人员成功地在体外重建了减数分裂DSB的形成，其特点是用SPO11–TOP6BL复合物有效地切割DNA，并共价连接到切割的DNA的5’末端，并揭示了该复合物与其祖先酶topo VI之间的关键差异。综上所述，该研究通过体外蛋白表达纯化系统，得到了高纯度的SPO11-TOP6BL蛋白，体外重构了减数分裂DSB的形成，为同源重组的后续研究提供了实验平台和理论基础。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08551-1#Sec28

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