3篇Nature丨童明汉/黄旲/Scott Keeney等团队成功实现体外重构减数分裂DNA双链断裂形成

减数分裂是生命体有性生殖的基础，为保证物种繁衍、染色体数目恒定和物种适应环境变化而不断演化的基本前提【1】。在减数第一次分裂前期，同源染色体的非姐妹染色单体之间发生同源重组，即来自亲本双方的DNA链进行交叉互换，形成重组DNA序列，从而增加遗传多样性，促进了子代的适应性，是生物演化的驱动力之一；此外，同源重组还在同源染色体之间建立了物理连接，确保它们的正确分离，以维持物种染色体数目的稳定【2】。因此，同源重组是减数分裂过程中最为关键的生物学事件。

减数分裂同源重组始于程序性DNA双链断裂（Double-Strand Break，DSB）；这些DSBs随后以同源染色体为模板进行修复，最终生成交叉或非交叉【3】。虽然参与减数分裂同源重组的关键分子已基本明确，但这些分子的大多数生化特征尚未充分阐明。例如，Spo11自1997年就被发现为催化DSB形成的关键蛋白，但关于Spo11的生化特征仍知之甚少。尤其是，过去近30年来，全球多个实验室一直致力于在体外重构减数分裂DSB形成，试图首先捧起这一被视为减数分裂研究的“圣杯”【4,5】。

中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（原上海生物化学与细胞生物学研究所）童明汉团队长期聚焦于哺乳动物减数分裂启动研究。基于前期的研究积累，该团队对DSB形成复合物开展了系统研究。2025年2月20日，童明汉团队与上海交通大学医学院附属新华医院黄旲团队合作，在Nature上在线发表了题为“In vitro reconstitution of meiotic DNA double-strand break formation”的研究成果。该研究基于体外表达纯化的小鼠SPO11-TOP6BL复合体，成功实现了减数分裂DSB形成的体外重构，困扰领域近30年的难题迎刃而解。值得一提的是，美国 纪念斯隆-凯特琳癌症中心Scott Keeney团队、比利时法语鲁汶大学的Corentin Claeys Bouuaert团队分别在Nature上发表了背靠背文章“Reconstitution of SPO11-dependent double-strand break formation”和“SPO11 dimers are sufficient to catalyse DNA double-strand breaks in vitro”。

Spo11属于拓扑异构酶VI（Top6）家族，由两个催化亚基（Top6A）和两个调控亚基（Top6B）组成异源四聚体，其活性依赖于Top6A 和Top6B的协同作用。SPO11为 Top6A的同源物；而TOP6BL作为Top6B的哺乳动物同源物，直到2016年才被发现，并已知其为减数分裂DSB形成所必需【6】。为了在体外探究减数分裂DSB形成机制，童明汉课题组利用体外蛋白表达纯化系统成功获得了SPO11-TOP6BL复合体，并首次在体外重现其切割DNA双链的活性。之后，与新华医院黄旲团队合作，采用凝胶过滤层析、交联质谱、Pull Down等方法，系统地研究了SPO11-TOP6BL复合体的生化特征；证实该复合体在溶液中主要以异源二聚体形式存在，只有极少部分能形成异源四聚体，这与其在古细菌中的同源物拓扑异构酶VI不同【7】。

接着进一步证明在复合体切割DNA后，SPO11共价结合于切割产物的5’末端，与体内检测到的SPO11活性表现一致【8】。于此，困扰领域近30年的体外重构减数分裂DSB形成难题迎刃而解。

此外，该研究还发现，SPO11-TOP6BL复合体切割DNA活性依赖于Mg2+/Mn2+，但不依赖于ATP，不同于拓扑异构酶VI活性依赖ATP/Mg2+的特征。更进一步，点突变SPO11的Mg2+结合残基导致SPO11-TOP6BL复合体DNA双链切割活性显著降低；相应的一个Mg2+结合残基点突变小鼠表现为减数分裂障碍，无DSB形成，其表型与Spo11完全敲除小鼠一致【9】。

综上所述，该研究成功实现了体外重构减数分裂DSB形成，揭示了SPO11-TOP6BL复合体演化特征，为解析减数分裂同源重组的起始提供了直接证据；为进一步阐明减数分裂同源重组分子机制提供了坚实的分子平台。

据悉，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心博士生汤辛哲和合作的胡泽涛博士生为该论文并列第一作者，童明汉研究员、黄旲教授为该文的共同通讯作者。

此外，Nature同期为三篇文章配发了由加利福尼亚大学圣迭戈分校的Francisco Mendez Diaz博士和Kevin D. Corbett教授共同撰写的题为“Enzyme used in meiosis makes the cut in vitro”评述，指出这三项研究代表了减数分裂同源重组领域的"a big break"，开启了该领域的“a new era of research”。

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08551-1；

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08574-8；

https://www.nature.com/articles/s41586-025-08601-2

参考文献

1. Gray, S. & Cohen, P. E. Control of Meiotic Crossovers: From Double-Strand Break Formation to Designation. Annu Rev Genet 50, 175-210, doi:10.1146/annurev-genet-120215-035111 (2016).

2. Zickler, D. & Kleckner, N. Recombination, Pairing, and Synapsis of Homologs during Meiosis. Cold Spring Harb Perspect Biol 7, doi:10.1101/cshperspect.a016626 (2015).

3. Keeney, S., Giroux, C. N. & Kleckner, N. Meiosis-specific DNA double-strand breaks are catalyzed by Spo11, a member of a widely conserved protein family. Cell 88, 375-384, doi:10.1016/s0092-8674(00)81876-0 (1997).

4. Claeys Bouuaert, C. et al. Structural and functional characterization of the Spo11 core complex. Nat Struct Mol Biol 28, 92-102, doi:10.1038/s41594-020-00534-w (2021).

5. Yu, Y. et al. Cryo-EM structure of the Spo11 core complex bound to DNA. bioRxiv, doi:10.1101/2023.10.31.564985 (2023).

6. Robert, T. et al. The TopoVIB-Like protein family is required for meiotic DNA double-strand break formation. Science 351, 943-949, doi:10.1126/science.aad5309 (2016).

7. Malik, S. B., Ramesh, M. A., Hulstrand, A. M. & Logsdon, J. M., Jr. Protist homologs of the meiotic Spo11 gene and topoisomerase VI reveal an evolutionary history of gene duplication and lineage-specific loss. Mol Biol Evol 24, 2827-2841, doi:10.1093/molbev/msm217 (2007).

8. Neale, M. J., Pan, J., & Keeney, S. Endonucleolytic processing of covalent protein-linked DNA double-strand breaks. Nature 436,1053-1057. doi:10.1038/nature03872 (2005)

9. Baudat, F., Manova, K., Yuen, J. P., Jasin, M. & Keeney, S. Chromosome synapsis defects and sexually dimorphic meiotic progression in mice lacking Spo11. Mol Cell 6, 989-998, doi:10.1016/s1097-2765(00)00098-8 (2000).

BioART战略合作伙伴

（*排名不分先后）

BioART友情合作伙伴

（*排名不分先后）

转载须知

【原创文章】BioArt原创文章，欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，所刊登的所有作品的著作权均为BioArt所拥有。BioArt保留所有法定权利，违者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

会议资讯

近期直播推荐