玉米DNA损伤响应依赖激酶ATR在影响胚发育和细胞死亡过程中的关键作用

2021年6月4日，比利时哥特大学植物系统生物学中心科研团队，在著名学术期刊The Plant Cell发表题为“Maize ATR Safeguards Genome Stability During Kernel Development to Prevent Early Endosperm Endocycle Onset and Cell Death”的研究论文。本研究揭示了ATR通过控制胚的发育、保证基因组的稳定性，在玉米籽粒发育过程中起关键作用。

研究背景

严峻的外界环境会导致植物DNA复制异常或者基因组部分缺失。植物细胞为应对不良的外界环境，会激活自身高度协调的细胞网络，该过程称为DNA损伤响应(DNA damage response,DDR)。DDR的激活依赖于两个蛋白激酶，分别是ATM(Ataxia-telangiectasia mutated) 和ATR(ATM and Rad3-related)。在哺乳动物中，阻断ATR的表达会抑制其胚胎发育；而拟南芥atm、atr突变体在正常生长条件下，并没有表现出营养生长的缺陷。迄今为止，ATM、ATR在农作物种子发育过程中的功能并没有被深入探讨。

主要结果

前人研究利用PLAZA平台鉴定出玉米ATM和ATR蛋白。在此基础上，研究者首先利用CRISPR/Cas9技术对两个基因进行基因编辑。由于拟南芥ATR的缺失会使DNA复制过程减缓。为了验证玉米ATR是否有相类似的功能，研究者使用核糖核苷酸还原酶抑制剂HU进行处理。结果显示，HU处理后，Zmatr突变体根长及地上部分长度缩短程度都明显强于野生型。该结果说明，ZmATR在复制性应激反应中起着保守作用。

接下来，研究者使用能够产生DNA双链断裂（DSB）的zeocin对突变体进行外源处理。处理后，Zmatm及Zmatr突变体根长均明显变短，并且Zmatr展现了更高的敏感性。使用γ射线进行处理，产生了相类似的结果。以上结果表明，与酵母和哺乳动物相类似，ZmATR在玉米DNA双链断裂引发的DDR中发挥了关键作用，而ZmATM在严重DNA损伤条件下发挥作用。

维持基因组完整性的一个基本机制是DNA损伤处γH2AX以ATM和ATR依赖的方式积累。为了确定Zmatr和Zmatm突变体对DNA损伤剂的敏感性是否与修复能力的丧失和DNA损伤积累有关，研究者对植物根尖的细胞核进行了γH2AX聚焦免疫检测。检测结果显示，ATR 和 ATM 在 DNA 修复和细胞周期检查点激活中发挥关键作用。在正常生长条件下，拟南芥植株不会受到 ATR 缺失的影响，而玉米突变植物复制缺陷明显积累，这可能是由于玉米基因组较大所导致的。

表型观察显示，Zmatr突变体展现了更小的穗轴，穗轴上的粒数也明显减少，育性出现了问题。杂交实验证实Zmatr的雌配子体存在异常。由于授粉后16天的胚中DNA复制最为活跃，研究者选取此阶段对突变体中DNA的损伤是否存在异常进行了观察。 研究者通过分析γH2AX检测结果证实ZmATR和ZmATM的缺失导致了胚胎的内源性DNA损伤。

图 Zmatr和Zmatm突变的穗轴和籽粒表型分析

由于玉米ATR和ATM在胚和胚乳中的表达强度都比较高，研究者进一步检测了两者对胚乳功能的影响。研究者通过使用流式细胞仪对突变体的胚乳进行了分析，结果显示缺失ATM基因会引起胚乳细胞核内复制提前。而ATR基因的缺失导致了谷粒尺寸、蛋白质和淀粉含量的减少以及细胞死亡的增加。最后，研究者通过杂交，并不能成功获得玉米双突变植株，证实ATM和ATR激酶在玉米中存在的必要性。

结果意义

综上所述，本实验证实了ATR 和 ATM 在 DNA 修复和细胞周期检查点激活中发挥关键作用，强调了基因组完整性的维护机制对植物发育的影响可能比我们预期的更为重要。