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Nature:减数分裂中 DNA 双链可被Spo11 协同切割

Nature:减数分裂中 DNA 双链可被Spo11 协同切割
2021年06月11日 15:46 新浪网 作者 医学顾事

  减数分裂是生殖细胞在有性生殖过程中产生单倍体细胞的分裂过程,能够增加配子的多样性,促进生物适应环境变化。在减数分裂时,同源染色体相互配对,发生重组交换。这一同源重组过程,由Spo11介导的DNA 双链断裂 (DNA double-strand breaks, DSBs) 所引发,但Spo11是如何结合并切割DNA的尚不清楚。

  2021年6月9日,来自英国萨塞克斯大学Matthew J. Neale研究组的Dominic Johnson与Margaret Crawford(共同第一作者)Nature上发表了题为Concerted cutting by Spo11 illuminates meiotic DNA break mechanics的文章,建立了相邻Spo11 分子结合在DNA 双螺旋上进行协同切割的模型,这打破了以往认为大多数重组事件是由单个 Spo11 引起的认知,加强了对Spo11介导形成DSB机制的理解,扩展了减数分裂期间DNA断裂修复的概念。

  减数分裂中,DSB形成的位置有一定偏好,优先形成于被叫做热点(hotspots)核小体缺失区域(nucleosome-depleted regions,NDRs【1】。DSB形成过程中,Spo11共价结合在断裂DNA的5’末端。结合了Spo11的DSB末端可以通过Mre11的核酶活性进行修复【2】。Spo11结合的DNA序列很稳定,能通过免疫共沉淀与测序技术进一步分析【3】

  图1:Spo11产生的DNA双链断裂被Mre11所修复。

  Spo11结合的DNA序列(Spo11-oligos)主要有8–12 nt与25–35 nt两种长度【4】,直到凝胶电泳敏感度提高后,一些长度在33-100nt之间的微弱条带才被发现。有趣的是,这些条带的长度成约10nt的等差数列排布,间隔符合B型DNA一圈螺旋的大小。与前两种Spo11-oligos不同,这些长条带在不激活Mre11内切酶活性时依然存在,表明这些新发现的长DNA是由Spo11自身介导形成DSB时产生的。研究者们将这种长DNA称为由Spo11双切割产生的序列(‘Spo11 double cuts’ , Spo11-DCs,并发现Spo11-DCs比Spo11-oligos更稳定,不受Mre11的酶解。

  研究人员在Spo11-oligos的深度测序数据库【5】中找到了长度分布在43,53,63和73nt的DNA,与Spo11-DCs的大小一致。为了探究Spo11-DCs长度大于30nt的原因,研究者们用Spo11–Rec102–Rec104–Ski8复合物进行了体外结合实验。他们将Spo11复合物与不同长度的DNA双链混合,然后发现复合物可以两端同时结合30-34bp或是24-25bp的DNA,但不能同时结合长度在这之间(26-29bp)的DNA。因此推断相邻的 Spo11 复合物会以同一个方向排列在DNA上,排列周期由 DNA 螺旋的节距(约 10.5 bp)决定。两个相邻Spo11在小于 30 bp 的距离上会彼此阻碍,不过这种空间上的阻碍可以通过 DNA螺旋的弯折来缓解。

  图2:酿酒酵母中Spo11-oligos的长度分布。

  Spo11-DC有这样几个特点:通过比较Spo11-DC 与 Spo11 DSB hotspot之间的全基因组图谱,发现Spo11-DC 在hotspot内呈现不均匀的分布;每个DSB都能在双链中形成两个Spo11 oligos,但双链中Spo11 oligos的形成位点往往不同【3】,这种差异 在Spo11-DC中也存在;Spo11-DC 之间10.5 个碱基对的周期变化在酵母和小鼠中是保守的。

  鉴于Spo11-DC与DSB之间的关联性与保守性,研究者猜想Spo11-DC可能有类似于DNA缺口(DNA gap)的修复途径。为了检验这一点,他们分析了msh2Δ型酵母中的重组序列,在这种酵母中,单个DSB引起的基因重组,会形成标记分离比为5:3的异源双链DNA(heteroduplex DNA,hDNA)【6】,而DNA缺口导致的基因重组,会形成标记分离比为6:2的DNA。在msh2Δ酵母中,有37%的重组具有6:2的标记分离比,研究者取出30-150bp之间的DNA片段,将其分成三类,其中A类反式hDNA(trans hDNA)是由DNA缺口修复形成的,而另外两类可能是由 Mlh1–Mlh3和Exo119等DNA切口酶导致的。他们发现A类片段与spo11结合hotspots的重合度最大。这表明,他们发现了一类新的重组事件,这类重组是由Spo11-DC引起的DNA缺口修复。

  图3:酿酒酵母中Spo11-DC诱导的DNA缺口修复。

  总结:之前的DSB修复模型【7】中,大多数重组事件是由单个 Spo11 引发的。而该研究证明紧密相邻的Spo11 可以切割DNA,在这种双链缺口上可以进行遗传信息的转移。这一研究扩展了对于减数分裂重组途径的理解。

  图4:Spo11-DC 形成模型。多个 Spo11 蛋白与其他 pro-DSB 因子组装形成一个平台,协调Spo11-DSB 形成。根据 Spo11(深橙色)和 DNA 螺旋重复结构之间的相互作用,形成单个 (a) 或协同 (b) DSB。

  值得一提的是,在同期上,奥地利维也纳大学的Franz Klein团队发表了背靠背文章Spo11 generates gaps through concerted cuts at sites of topological stress

  原文链接:

  https://doi.org/10.1038/s41586-021-03389-3

  https://doi.org/10.1038/s41586-021-03632-x

  制版人:十一

  参考文献

  1. Pan, J. et al. A hierarchical combination of factors shapes the genome-wide topography of yeast meiotic recombination initiation. Cell 144, 719–731 (2011).

  2. 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 (1997).

  3. Pan, J. et al. A hierarchical combination of factors shapes the genome-wide topography of yeast meiotic recombination initiation. Cell 144, 719–731 (2011).

  4. Neale, M. J., Pan, J. & Keeney, S. Endonucleolytic processing of covalent protein-linked DNA double-strand breaks. Nature 436, 1053–1057 (2005).

  5. Mohibullah, N. & Keeney, S. Numerical and spatial patterning of yeast meiotic DNA breaks by Tel1.Genome Res. 27, 278–288 (2017).

  6. Martini, E. et al. Genome-wide analysis of heteroduplex DNA in mismatch repair-deficient yeast cells reveals novel properties of meiotic recombination pathways. PLoS Genet. 7, e1002305 (2011).

  7. Szostak, J. W., Orr-Weaver, T. L., Rothstein, R. J. & Stahl, F. W. The double-strand-break repair model for recombination. Cell 33, 25–35 (1983).

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