PNAS | 复旦大学/华南农业大学王应祥课题组揭示植物减数分裂过程中DNA双链断裂位点基因沉默的分子机制

责编 | 王一

减数分裂是真核生物有性生殖所必需的一种特殊的细胞分裂方式，最终产生单倍体配子。减数分裂重组是减数分裂的核心事件，其起始于保守的DNA拓扑异构酶复合体 （SPO11-1/SPO11-2/MTOPVIB） 介导DNA双链断裂 （DSB） 的产生。减数分裂同源染色体重组除了创造新的等位基因组合，既确保了生物世代间遗传物质在稳定传递，又增加了后代的遗传多样性。在酵母、哺乳动物和植物的研究中发现减数分裂DSB沿染色体的分布并非随机，会优先发生在一些小区域 (~1-2kb) ，被称为DSB热区，其具有显著的表观遗传修饰和基因组特征。植物中发现组蛋白修饰，如H3K4me3、H3K36me3、组蛋白变体H2A.Z等在热区富集。出芽酵母和植物中都表明DSB倾向发生在基因的转录起始位点 （TSS） ，伴随着低核小体密度，暗示了DSB通常发生在具有转录活跃特征的染色体开放区域。有趣的是，DSB位点上的基因转录和DNA修复呈现负相关，而植物减数分裂过程中DSB位点上的基因转录状态及其调控机制还未有报道。

近日，复旦大学/华南农业大学/岭南现代农业生物与技术广东省实验室王应祥课题组在PNAS在线发表了题为DNA polymerase epsilon interacts with SUVH2/9 to repress the expression of genes associated with meiotic DSB hotspot in Arabidopsis的研究论文，揭示了植物减数分裂过程中DNA双链断裂 （DSB） 位点基因沉默的分子机制，揭示了DNA聚合酶epsilon （POL ε） 和SUVH2/9在减数分裂细胞中不同于体细胞中的新功能。

研究者在前期工作中发现了不同DNA聚合酶 （Pol α、Pol δ和Pol ε） 在减数分裂重组DNA修复环节中作用，其中Pol ε的催化亚基POL2A对减数分裂DSB的修复和重组分布调控至关重要 （Huang et al., PNAS, 2015） 。在进一步探索中，发现Pol ε仍旧会分布在整个减数分裂细胞的染色体上发挥功能，该研究报道了其在常染色质DSB富集区域的功能。研究者发现POL2A和RdDM （RNA-directed DNA methylation） 的组分SUVH2相互作用，进一步研究验证了POL2A的N端和SUVH2/9的SET结构域互作。运用N-SIM （Structured Illumination Microscopy） 观察到SUVH2在减数分裂时期与γ-H2AX标记的DSB共定位，并且该定位依赖于POL2A。暗示着POL2A在减数分裂DSB修复过程中招募SUVH2。

RdDM途径中SUVH2和其同源蛋白SUVH9影响靶位点小RNA的产生和CHH （H表示A、T或G） 甲基化。通过高通量测序，研究者发现有别于SUVH2/9在体细胞中抑制TE表达的作用，SUVH2/9和POL2A在减数分裂细胞中共同抑制865个基因的表达。并且这865个基因不直接参与调控减数分裂功能，但在其转录起始位点 （TSS） 区域具有明显的DSB热区的特征，包括低核小体密度，A-rich基序和SPO11-1的富集等。这一结果暗示了POL2A和SUVH2/9可能在减数分裂DSB位置发挥着基因沉默的作用。同时研究者发现这一功能并不类似于体细胞中通过调控DNA的甲基化或小RNA来实现，但POL2A和SUVH2/9都影响了减数分裂染色体的浓缩，表明它们可能直接通过调控染色质结构从而抑制基因表达 （图1） 。

最后研究者通过遗传分析还发现了SUVH2/9的突变会进一步加强POL2A突变体的减数分裂DSB修复异常和雄性败育的表型。并且在各突变体中通常上调表达基因越多伴随着减数分裂DSB修复异常的缺陷越严重。因此研究者推测POL2A和SUVH2/9在DSB位点诱导的基因沉默对正常减数分裂DSB修复具有重要意义。

综上所述，该研究揭示了植物DSB位置的基因转录状态，发现了DNA聚合酶epsilon和SUVH2/9共同调控减数分裂DSB偶联的转录沉默的新机制（图1），该机制可能对于减数分裂过程的DSB修复和基因组稳定性至关重要。

图1. POL ε-SUVH2/9调控减数分裂DSB偶联的基因沉默的模型

复旦大学生命科学学院王应祥教授的博士后王聪博士为该论文的第一作者，其博士和博士后期间以第一（含共同）在PNAS（2篇）、Plant Cell（1篇）和Plant Physiology（2篇）发表5篇论文，王应祥教授和尤辰江青年研究员为共同通讯作者。北卡罗来纳大学教堂山分校Gregory Copenhaver教授，华南农业大学黄霁月教授，复旦大学博士研究生张俊和余悦也参与了该项工作。相关工作得到了国家自然科学基金委、复旦大学、中国博士后基金和北卡罗莱纳大学的资助。

文章链接：

https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2208441119