Plant Cell | 拟南芥减数分裂过程核仁区的DNA修复机制

　　责编 | 逸云

　　在植物生长发育过程中，內源有害代谢物和外源环境胁迫会造成多种DNA损伤，比如双链断裂、链间交联、DNA烷基化等。这些DNA损伤如果没有及时修复会造成遗传信息丢失、基因组重排、细胞周期停滞等严重后果。各种DNA损伤中危害最大的当属DNA双链断裂（DNAdouble strand breaks, DSBs）。DSB可以通过两种途径进行修复，一种是非同源末端连接（non-homologousend joining, NHEJ）,另一种是同源重组（homologousrecombination, HR）【1】。NHEJ途径直接将两个DNA末端进行连接，可发生在细胞周期的各个阶段【2】。HR途径则发生在S期和G2期，HR需要一个复制模板来保留由于DSB所丢失的遗传信息【1】。有意思的是，在真核生物减数分裂过程，会主动产生大量的DSB，HR介导的DSB修复的过程伴随着的同源染色体间的配对，联会，重组，分离，从而保证了减数分裂的正常进行【3】。

　　真核生物基因组上存在着大量的重复序列，如果HR发生在富含重复序列的区间，通常会引起染色体间的异等位交换（non-allelicexchanges），造成重复序列拷贝数的改变【4】。核糖体RNA的编码基因（RibosomalRNA genes or rDNA）就是一类典型的重复序列。rDNA以非常保守的、多拷贝形式存在于真核生物的基因组中【5】。拟南芥的5S rDNA存在于3, 4 和 5号染色体，45SrDNA则存在于2和 4号染色体。45SrDNA组成的核仁组织区（NucleolusOrganizer Regions, NORs）构成了核仁的一部分【6】。

　　那么在HR异常活跃的减数分裂过程中，拟南芥是如何维持核仁中rDNA重复序列的稳定性的呢？ 近日，奥地利维也纳大学 Peter Schlgelhofer 团队在 ThePlant Cell 上发表了一篇题为 Meiotic DNA Repair in the NucleolusEmploys a Non-homologous End Joining Mechanism 的研究论文，为这个长期悬而未解的问题给出了答案。其研究结果证明， 拟南芥在减数分裂过程中采用NHEJ形式而非HR途径来修复核仁中rDNA上的损伤，从而避免了同源染色体间rDNA区域的异等位交换，维持了rDNA的在传代过程的稳定性。

　　本研究发现，不同于体细胞中只有4号染色体上的45SrDNA是转录的，拟南芥在减数分裂过程中4号和2号染色体的45SrDNA都会转录。减数分裂粗线期的45S rDNA 位点ASY1信号异常，没有ZYP1信号，说明NOR中的45SrDNA间没有联会（图1）；同时，45S rDNA位点间缺乏减数分裂特异的黏连蛋白REC8亚基；最后，减数分裂偶线期的NOR富含H3K27me1，缺乏H4Ac4修饰，说明该段染色质处于抑制状态。以上结果说明减数分裂过程中的45S rDNA组成的NOR与其他的染色质处于不同的染色质环境中。

　　图1 The rDNA acquires distinct chromatincharacteristics during meiosis

　　进一步的细胞学及遗传学实验发现，在NOR区HR途径特异标记RAD51的信号数远低于基因组的平均水平，并且在HR途径的spo11，rad51，com1突变体背景下45S rDNA信号没有异常，而在NHEJ途径的lig4和mre11突变体中出现大量45SrDNA的碎片，说明拟南芥通过NHEJ途径来修复减数分裂过程45SrDNA上的损伤，维持其稳定性（图2）。

　　图2 The rDNA is repaired by NHEJ

　　上述结果同时暗示45S rDNA重复序列会抑制HR的发生。为了验证该假设，研究者构建了多个rDNA序列插入株系（ErDNA3、ErDNA5），并利用CRISPR技术构建rDNA序列敲除株系（ErDNA5-del）作为负对照。相比ErDNA5-del负对照，ErDNA3、ErDNA5在异源rDNA插入区域的RAD51信号数显著降低，并且当异源rDNA插入在重组热区时该区段重组频率降低；而当异源rDNA插在重组冷区时，该区段的重组频率没有明显变化。上述结果说明45SrDNA的存在会造成重组不兼容的染色质环境，抑制了重组的发生，并且这种抑制效应会受到rDNA所在区域的重组活性的影响。

　　综上所述， 本研究证明了拟南芥减数分裂过程中采用NHEJ途径修复rDNA上的损伤以维持rDNA的稳定性，解决了拟南芥传代过程如何可靠且有效的传递重复序列的问题，并且为减数分裂重组的调控机制提供了新的见解。

　　参考文献

　　[1] Ceccaldi R,Rondinelli B, D’Andrea AD (2016) Repair Pathway Choices and Consequences

　　at the Double-Strand Break. Trends Cell Biol 26:52–64. doi:10.1016/j.tcb.2015.07.009

　　[2] Chang HHY,Pannunzio NR, Adachi N, Lieber MR (2017) Non-homologous DNA end joining andalternative pathways to double-strand break repair. Nat Rev Mol Cell Biol 18:495–506. doi: 10.1038/nrm.2017.48

　　[3] Mercier R, Mézard C, Jenczewski E, etal (2015) The Molecular Biology of Meiosis in Plants.

　　Annu Rev Plant Biol 66:297–327. doi:10.1146/annurev-arplant-050213-035923

　　[4] Sasaki M, Lange J, Keeney S (2010)Genome destabilization by homologous recombination

　　in the germ line. Nat Rev Mol Cell Biol 11:182–195. doi: 10.1038/nrm2849

　　[5] Shaw PJ, Jordan EG (1995) Thenucleolus. Annu Rev Cell Dev Biol 11:93–121. doi: 10.1146/annurev.cb.11.110195.000521

　　[6] Preuss S, Pikaard CS (2007) rRNA genesilencing and nucleolar dominance: insights into achromosome-scale epigenetic on/off switch. Biochim Biophys Acta 1769:383–392. doi:10.1016/j.bbaexp.2007.02.005