Nat Communi 解决百年之谜！研究揭示了植物生殖细胞减数分裂中控制交换数量和位置的机制

同源重组（Homologous recombination HR）在减数分裂和个体的发育中起到维持细胞基因组的稳定作用并产生遗传多样性。减数分裂同源重组事件开始由Spo11蛋白起始DNA双链断裂(DSB)的形成，在包括植物在内的大多数生物体中，DSB的数量大大超过交换（crossover CO）的数量，并且DSB成为CO位点的数量受到严格控制。然而一百年来，我们仍然不清楚生殖细胞在减数分裂过程中如何确定DNA交换的数量和位置。

2021年8，Nature Communication杂志在线发表了来自John Innes Centre的Martin Howard课题组题为“Diffusion-mediated HEI10 coarsening can explain meiotic crossover positioning in Arabidopsis”的研究论文。该研究利用数学建模和“3D-SIM”超分辨率显微镜，揭示一种确保交换数量和位置“恰到好处”的机制。在二倍体生物中，生殖母细胞在减数分裂后形成四个单倍配子。在分裂期I的偶线期各对同源染色体分别配对，出现联会现象；到粗线期形成二价体，进入双线期在二价体之间的某些区域出现交叉（chiasmata），这些交叉现象是同源染色体的非姐妹单体对应的区段间发生了交换（crossover CO）的细胞学上的表现(见下图)。CO是同源染色体重组的产物之一，它的存在有利于产生遗传多样性以及保证在减数分裂中同源染色体精确分离。值得注意的是，重组也是一个潜在的危险，因为它会导致过量的染色体片段的重排和产生可能致死的中间体，所以交换在细胞中的数目是受到严格的调控。CO的产生受到顺式和反式因子影响，顺式因子包括序列的相似性、染色质的状态和DNA甲基化，而反式因子多为基因。其中在不同物种中，HEI10蛋白在交叉的形成中起着重要的作用。

图. Crossover 的形成过程(De Massy, 2013)

该研究使用超分辨率显微镜来检查 HEI10蛋白在细胞分裂中的的行为，发现HEI10蛋白沿着染色体聚集，最初形成许多小群体。然而，随着时间的推移，HEI10蛋白只集中在少数大得多的聚类中，一旦达到临界质量，就可以触发交换。然后采用建模方法，将 HEI10 聚集动力学的计算模拟与固定粗线期细胞中 HEI10 强度的 3D-SIM超分辨率显微镜测量进行比较，发现模拟能够概括和预测野生型植物和具有可变 HEI10 剂量的植物中的各种实验观察结果。此外，该研究还表明只要改变 HEI10 剂量，就可以在体内对交叉进行可预测的修改，较高和较低的剂量分别导致较弱和较强的交叉干扰。由于 HEI10 是 RING 指蛋白家族的保守成员，因此类似的机制可能会调节不同真核生物中的交叉定位。该研究的发现对小麦等谷类作物尤其有价值，因为这些作物的杂交大多局限于染色体的特定区域，使植物育种专家无法充分利用这些植物的遗传潜力。未来可以通过改进交换定位的方法，以改进目前的动植物育种技术。来源：iPlants