Nature Plants新研究发现控制拟南芥减数分裂中交换频率的抑制因子

对于进行有性生殖的生物来说，减数分裂和受精作用对维持生物前后代体细胞中染色体数目的恒定，以及对生物的遗传和变异都十分重要。减数分裂过程中，DNA复制一次，而细胞连续分裂两次，形成单倍体的精子或卵子，通过受精作用又恢复成二倍体【1,2】。不同于有丝分裂，减数分裂涉及到父母同源染色体之间的配对、联会、重组和分离，其中重组交换使得同源染色体之间的遗传信息发生互换，是遗传多样性形成和农作物遗传育种的物质基础【1,2】。

在植物减数分裂前期I阶段，DNA双链断裂(DSB)形成并通过双链断裂修复形成交换 （Crossovers, COs）或非交换（non-crossovers, NCOs）。在这一过程中，SPO11-1，SPO11-2【1,2】和MTOPVIB蛋白共同形成异四聚体，催化产生DSBs（Double Strand Breaks）【3-5】。减数分裂产生的DSB被切除以产生单链DNA(SsDNA)，随后，该DNA与RecA重组酶的同源蛋白DMC1和RAD516结合，形成核酸-蛋白丝，侵入到与之同源的双链DNA中，形成置换环【6】。这类中间体可以解离形成CO或NCO。其中形成的COs包括两种类型：一类为由ZMM途径的相关基因（e.g., MER3, MSH4, MSH5, SHOC1, HEI10, PTD) 调控的同源染色体I型交换 （Class I crossover），该类型的交换占了减数分裂总交换的80%-85%左右【7】；另一类为依赖于Mus81和Mms4蛋白等的II型交换（Class II crossover），该类型的交换占了减数分裂总交换的15%-20%左右【8】。

目前研究表明，多条蛋白激酶途径在减数分裂细胞周期和重组的进程发挥着重要的调控作用，这些途径的靶标包括DSB蛋白、I类途径蛋白和染色体轴蛋白【9】。例如，细胞分裂激酶CDKA；1促进拟南芥中的I类交换，并在体外直接靶向MLH1蛋白【10】；染色体轴上的蛋白质，包括ASY1和Rec8【11,12】，在减数分裂过程中也被广泛磷酸化。然而，对激酶和磷酸酶是如何平衡以控制植物减数分裂交换，目前还知之甚少。

近日，英国剑桥大学和韩国浦项科技大学合作研究团队在Nature Plants发表了题为HIGH CROSSOVER RATE1 encodes PROTEIN PHOSPHATASE X1 and restricts meiotic crossovers in Arabidopsis的研究论文，揭示了编码PPX1磷酸酶的高交换频率基因HCR1是拟南芥中减数分裂过程中交换频率的抑制因子。

为了确定控制减数分裂交换频率的调控因子，研究者使用拟南芥荧光标签株系构建了正向遗传学的筛选体系。通过荧光标签株系420 （fluorescent tagged lines, FTL 420）在3号染色体上含有连锁的RFP和GFP表达单元，根据花粉或种子中荧光的变化可以计算重组频率的大小。研究者将含有FTL420的Col-0与CTL-T-DNA插入拟南芥株系进行杂交得到F1代杂种，并进行EMS诱变，从诱变群体中筛选得到了四个高交换频率的突变体hcr1 (high crossover rate 1)，hcr2，hcr3，hcr4和1个低交换频率的突变体lcr1（low crossover rate 1）。

本研究主要集中在对hcr1的功能分析。研究者通过RT-PCR、互补等试验，揭示hcr1编码PPX1（Protein phosphatase X1）。PPX1为PP4丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶复合物的催化亚基， PP4磷酸酶复合体在多种真核生物有丝分裂和减数分裂DNA重组和修复中具有多种作用。因为拟南芥中还存在着第二个PP4的催化亚基PPX2(At5g55260)，与PPX1的氨基酸序列同源性为93.8%，且通过遗传分析表明，PPX1和PPX2之间存在功能冗余，因此，研究者改进了miRNA诱导的基因沉默(命名为meiMIGS)，在减数分裂过程中特异性地沉默PPX1和PPX2。

进一步，为了研究hcr1和meiMIGS-PPX1-PPX2对其他基因组区域的交换频率的影响，通过这些突变体与FTL/CTL体系的杂交，分析交换频率的变化，发现hcr1株系中，同源染色体交换在远端常染色质区域明显增加，干扰强度降低。并发现MLH1在hcr1中显著增加时，这表明HCR1抑制了I类交换的通路。

在功能分析方面，酵母双杂交(Y2H)和免疫共沉淀实验一致地表明HCR1与I类交换相关的调控蛋白HEI10、PTD、MSH5和MLH1存在着相互作用。同时，还观察到HCR1与染色体轴蛋白（ASY1，ASY3，Rec8和SWI1）、DSB因子(SPO11-1，MTOPVIB，PRD1和PRD2）和重组酶（RPA1A，RAD51和DMC1）之间也存在着相互作用，表明HCR1在减数分裂过程中可能有更广泛的调节作用。

图. HCR1/PPX1-PP4在拟南芥中控制减数分裂的交换

综上，该研究揭示了HCR1/PPX1磷酸酶是拟南芥中减数分裂过程中交换频率的抑制因子。遗传学、细胞学和蛋白质-蛋白质相互作用的数据，表明HCR1/PPX1主要调控I类交换通路，它在抑制II类交换通路中起着次要作用。其中，HEI10、PTD、MSH5和MLH1可能是I类交换通路中HCR1/PPX1-PP4磷酸酶活性的直接靶标。同时，HCR1/PPX1与染色体轴蛋白、DSB因子和重组酶之间的互作，这也与减数分裂过程中存在着的更广泛的调控机制相一致。

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论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41477-021-00889-y