王应祥课题组在减数分裂重组的调控机制研究方面取得系列重要进展

发布时间：2019-01-23浏览次数：3149

王应祥课题组近年来在减数分裂重组的调控机制方面取得多项进展，相关研究成果分别以“Meiocyte-specific and AtSPO11-1-dependent small RNAs and their association with meiotic gene expression and recombination”和“The number of meiotic double-strand breaks influences crossover distribution in Arabidopsis”为题发表在《The Plant Cell》杂志上，其中减数分裂细胞特异小RNA文章同期被编辑重点点评“Featured In Brief”；以“The Largest Subunit of DNA Polymerase Delta is Important for Normal Formation of Meiotic Type I Crossovers in Arabidopsis”为题发表在《Plant Physiology》杂志上。同时应邀在《Annual Review of Plant Biology》撰写题为“Meiotic Recombination: Mixing It Up in Plants”的综述，在《Journal of Genetics and Genomics》撰写题为“Engineering Stable Heterosis”的评述。

减数分裂是真核生物有性生殖所必须的环节，通过减数分裂形成染色体数目减半的配子。雌雄配子结合后，染色体数目又恢复到父/母本体细胞的水平，从而保证有性后代遗传物质的稳定性。不同于有丝分裂，减数分裂涉及到父母同源染色体之间的配对、联会、重组和分离，其中重组使得同源染色体之间的遗传信息发生互换，是遗传多样性形成和农作物遗传育种的物质基础。而减数分裂重组异常会影响动物的生殖健康和农作物的育性及产量。减数分裂重组起始于染色体上有程序化的DNA双链断裂（DSB），DSB进一步经过加工、合成和连接等环节，最终使得同源染色体之间的DNA序列发生了交换。迄今，减数分裂重组中还有很多未知方面亟待研究，如小RNA和DSB数目对重组的调控，以及重组修复中的DNA合成等。

王应祥课题组一直以模式植物拟南芥为研究系统，利用植物的传统优势，针对减数分裂重组形成的分子机制开展了系列研究。课题组利用前期建立的减数分裂细胞分离装置，对野生型的减数分裂细胞和体细胞分别进行小RNA和转录组测序，发现了2409簇减数分裂细胞特异的ms-sRNA（meiocyte-specific small RNA）集群，与DSB缺失突变体（spo11-/-）的减数分裂细胞小RNA比较后，发现了1660个DSB依赖的ms-sRNAs集群。进一步对siRNA合成途径相关突变体的减数分裂细胞测序，发现ms-sRNA产生依赖经典的RNA聚合酶POL IV和Dicer蛋白的切割。有趣的是，不同于体细胞siRNA主要分布在异染色质区并且抑制转座子和基因的表达，ms-sRNA主要分布在常染色质的基因编码区，且与基因表达正相关。此外，我们还发现DSB依赖的ms-sRNAs富集于重组发生的热区，并和重组偶联的DNA基序显著关联。该工作首次揭示了减数分裂特异小RNA的长度和分布等特征，特别是其与减数分裂表达基因和重组的关系（图 1）。相关工作2019年1月23日发表在《Plant Cell》。同期编辑撰写了“In brief ”点评了这篇文章。

图 1 减数分裂特异sRNA在常染色质和异染色质区域的分布和功能

前文提到重组起始于DSB的形成，但是许多物种中DSB的数目远远大于最后重组交换发生的数目，关于DSB的数目对重组稳态和最终分布的影响还不清楚。课题组与中国农大贺岩课题组合作，通过转基因技术在DSB缺失突变体（spo11-/-）背景下操控DSB发生的数目，首次揭示了减数分裂中DSB形成的数目对重组的稳态及分布有着重要调控作用，相关结果于2018年10月发表在《Plant Cell》。

此外，DSB形成后需要DNA合成环节进行修复，但是重组中DNA合成的相关研究一直是一个空白。我们前期研究了DNA前导链延伸聚合酶ε（POL2A：PNAS，2015）、后随链合成因子RFC1（PLOS Genet，2012）和合成后随链起始引物的聚合酶α（POL1A：Sci Bull，2016）在减数分裂重组中的具体功能，由此提出减数分裂重组需要DNA后随链合成的新假说。为了进一步证实这一假设，最近的研究运用减数分裂特异的基因沉默技术，分析了后随链合成聚合酶δ（AtPOLD1）在减数分裂重组中的具体功能，结果发现降低POLD1的表达，会影响减数分裂同源染色体联会和重组，产生大量染色体碎片，最终导致植物育性降低。通过进一步对不同重组的类型进行定量，发现POLD1主要影响重组形成的主要途径，且其功能可能独立于前导链延伸聚合酶ε。该结果进一步加强了减数分裂重组需要DNA后随链合成因子的观点，完善了DNA合成因子参与减数分裂重组的模型。相关工作结果于2018年11月发表在《Plant Physiology》。

基于王应祥课题组近年来在减数分裂重组方面的系列工作，2018年应邀在《Annual Review of Plant Biology》上撰写了植物减数分裂重组的专题综述，完善并提出了最新的减数分裂重组模型，增添了DNA合成的环节。由于减数分裂重组是农作物遗传育种的理论基础，增加重组频率可以加速育种进程，降低重组频率可以固定杂交优势及良种繁育。最近受邀在《Journal of Genetics and Genomics》撰写了题为“Engineering Stable Heterosis”的评述（2019年1月9号在线），针对“如何通过操控重组达到固定杂交优势”这一核心问题进行了详细论述，为将来提高育种效率、增加农作物产量、及促进人类生殖健康提供重要理论基础。

以上系列论文的第一作者（包含并列）为已毕业的博士生黄霁月、王君和王聪等，王应祥为通讯作者；其中与中国农大合作的工作，王应祥为共同通讯作者。以上研究得到了复旦大学遗传工程国家重点实验室、国家自然科学基金面上项目、荷兰瑞克斯旺公司等资助。