解决近30年难题，童明汉/黄旲团队发表Nature论文，成功实现体外重构减数分裂DNA双链断裂形成

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

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。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，这也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。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 DSB 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。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早在 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”。

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 19 日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心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（汤辛哲、胡泽涛为共同第一作者），在Nature期刊发表了题为：In vitro reconstitution of meiotic DNA double-strand break formation 的研究论文。

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团队同期分别在Nature期刊发表了题为：Reconstitution of SPO11-dependent double-strand break formation 和 SPO11 dimers are sufficient to catalyse DNA double-strand breaks in vitro 的研究论文。

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。

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。

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。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。

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。

Nature同期发表了来自加州大学圣地亚哥分校Kevin D. Corbett教授的 题为：Enzyme used in meiosis makes the cut in vitro 的评论文章，该文章指出， 这三项研究成功地通过纯化的 SPO11 蛋白实现了体外重建 DNA 切割，开启了该领域的研究新时代。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08551-1

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

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08574-8