Plant Cell | 华中农大油菜团队破解减数分裂重组调控新密码，揭示染色体轴招募重组酶的关键机制

近日，华中农业大学植物科学技术学院、作物遗传改良全国重点实验室和国家油菜工程技术研究中心杨超教授课题组在The Plant Cell发表题为The HORMA-domain protein ASY1 recruits the plant-specific cyclin SDS to promote DMC1-mediated meiotic recombination的研究论文，在植物减数分裂研究领域取得重要突破。研究团队以甘蓝型油菜和拟南芥为模式，发现染色体轴核心蛋白ASY1通过招募植物特有周期蛋白SDS，将减数分裂核心重组酶DMC1精准定位到染色体上，从而促进同源染色体间重组和交换。该研究深化了人们对染色体重组调控的认识，为同源重组偏好形成的分子机制提供了关键答案。

染色体重组是真核生物遗传变异的核心来源，既是物种遗传多样性演化的基础，也是作物育种中连锁累赘消除和优良性状聚合的关键前提。在减数分裂过程中，同源染色体之间必须发生精确的配对、联会和重组，才能保证遗传信息正确传递。然而，一个关键科学问题尚不清楚：作为减数分裂“骨架”的染色体轴（图1），究竟如何调控重组酶在染色体上的精准装载，从而驱动遗传重组发生？

图1：同源染色体配对、联会和重组关键蛋白和结构模式图。

染色体轴是减数分裂早期在姐妹染色体上形成的一个重要蛋白结构，由多个不同的蛋白质或蛋白质复合体组装而来，在同源染色体配对、联会和重组中发挥重要作用（图1）。ASY1是染色体轴核心组分之一，对调控重组形成和分布具有关键作用。先前研究表明，ASY1是核心重组酶DMC1在染色体上精准定位的必要条件，但其具体调控机制尚不明确。

研究团队通过活细胞成像、超分辨显微成像、遗传学和生化分析等技术手段，揭示了染色体轴蛋白ASY1调控染色体重组的核心分子机制：ASY1 并不直接作用于 DMC1，而是通过直接结合并招募植物特有周期蛋白 SDS 定位至染色体，保障重组酶 DMC1 在染色体上的正常装载，最终介导同源染色体间的精准重组与交叉互换。主要结果如下：

在甘蓝型油菜和拟南芥性母细胞中的蛋白定位显示，周期蛋白SDS在减数分裂早期（细线期和偶线期）特异表达，在染色体上形成密集的焦点信号，超分辨观察显示SDS主要定位于染色体轴周边的染色质环结构，当同源染色体完全联会后（粗线期）被迅速降解。这与核心重组酶DMC1的时空表达和定位动态上高度同步（图2）。SDS缺失会引起DMC1在染色体上装载失败。

图2：周期蛋白SDS与重组酶DMC1在减数分裂早期的时空表达和定位动态。

作者考察了SDS在染色体配对和重组等关键基因突变体中的定位，发现其染色体定位完全不依赖于DNA双链断裂、同源入侵、配对等核心重组关联事件，也不依赖于联会复合体的组装和染色体轴骨架核心蛋白REC 8 。然而，SDS的染色体定位特异地依赖轴蛋白ASY1（图 3 ）。进一步发现ASY 1 在粗线期从联会的染色体上移除与SDS的移除紧密关联，ASY 1 的移除缺陷会造成SDS和DMC 1 在染色体上的持续定位。

图3：周期蛋白SDS定位特异依赖于染色体轴蛋白ASY1。

进一步研究表明，ASY1能够直接结合SDS（图4），缺失ASY1后，SDS无法有效募集到染色体上，导致DMC1装载受阻（图3），同源染色体重组过程发生严重缺陷。

图4：SDS与ASY1互作。

值得注意的是，本研究还揭示了基于ASY1蛋白构象的全新调控功能。研究发现，ASY1自身存在的C端构象调节闭合基序虽然并不影响ASY1自身定位到染色体轴，却是招募SDS和促进DMC1装载所必需的关键结构元件（图5）。这表明，减数分裂染色体轴不仅提供结构支架，更通过特定构象状态主动调控重组酶的装载。这一基于蛋白构象的调控方式解耦了ASY1的结构支撑与重组调控功能，细化了染色体轴的功能调控模型。

图5：ASY1闭合基序介导构象变化影响SDS和DMC1招募。

重组的精准发生，依赖DMC1正负调控因子的动态平衡。该研究进一步解析了DMC1装载正负调控因子之间的层级关系。此前研究已知FIGL1-FLIP复合物是抑制DMC1定位的核心负调控因子，且该复合物缺失可恢复sds突变体中DMC1定位缺陷。然而，本研究发现，当ASY1功能缺失时，即使突变负调控因子FIGL1-FLIP，也无法恢复DMC1的染色体定位缺陷（图6）。这一结果表明，ASY1位于DMC1调控网络的更上游，是协调DMC1正调控因子SDS和负调控因子FIGL1-FLIP的核心枢纽。

图6：ASY1位于FIGL1-FLIP负调控通路的上游。

综上，该研究揭示了染色体轴蛋白如何直接连接染色体结构与重组酶装载过程，阐明了减数分裂中同源重组偏好形成的关键分子调控基础。本研究不仅深化了人们对减数分裂遗传重组机制的认识，也为未来通过精准调控重组频率和交换分布、突破作物育种中的遗传重组限制提供了新的理论依据和潜在分子靶标。

华中农业大学植物科学技术学院博士后蔡博伟为论文的第一作者，华中农业大学植物科学技术学院、作物遗传改良全国重点实验室和国家油菜工程技术研究中心杨超教授为论文的通讯作者。该研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目资助。

据悉，杨超课题组长期从事植物减数分裂调控和染色体重组操纵技术开发，近五年以通讯单位在Nature Plants、Science Advances、Advanced Science、ThePlant Cell (3篇)、Nucleic Acids Research等发表多篇研究论文。课题组主要以甘蓝型油菜为模式，致力于理解多倍体植物减数分裂中染色体互作规律和调控机制，揭示多倍体减数分裂稳定适应的演化机制，构建多倍体作物无融合生殖体系，开发染色体重组调节技术，推动重组操纵作为育种底盘技术应用于作物种质创新和品种培育。

论文链接:

https://doi.org/10.1093/plcell/koag176