王應(yīng)祥課題組在減數(shù)分裂重組的調(diào)控機制研究方面取得系列重要進展
王應(yīng)祥課題組近年來在減數(shù)分裂重組的調(diào)控機制方面取得多項進展，相關(guān)研究成果分別以“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”為題發(fā)表在《The Plant Cell》雜志上，其中減數(shù)分裂細胞特異小RNA文章同期被編輯重點點評“Featured In Brief”；以“The Largest Subunit of DNA Polymerase Delta is Important for Normal Formation of Meiotic Type I Crossovers in Arabidopsis”為題發(fā)表在《Plant Physiology》雜志上。同時應(yīng)邀在《Annual Review of Plant Biology》撰寫題為“Meiotic Recombination: Mixing It Up in Plants”的綜述，在《Journal of Genetics and Genomics》撰寫題為“Engineering Stable Heterosis”的評述。
減數(shù)分裂是真核生物有性生殖所必須的環(huán)節(jié)，通過減數(shù)分裂形成染色體數(shù)目減半的配子。雌雄配子結(jié)合后，染色體數(shù)目又恢復(fù)到父/母本體細胞的水平，從而保證有性后代遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性。不同于有絲分裂，減數(shù)分裂涉及到父母同源染色體之間的配對、聯(lián)會、重組和分離，其中重組使得同源染色體之間的遺傳信息發(fā)生互換，是遺傳多樣性形成和農(nóng)作物遺傳育種的物質(zhì)基礎(chǔ)。而減數(shù)分裂重組異常會影響動物的生殖健康和農(nóng)作物的育性及產(chǎn)量。減數(shù)分裂重組起始于染色體上有程序化的DNA雙鏈斷裂（DSB），DSB進一步經(jīng)過加工、合成和連接等環(huán)節(jié)，最終使得同源染色體之間的DNA序列發(fā)生了交換。迄今，減數(shù)分裂重組中還有很多未知方面亟待研究，如小RNA和DSB數(shù)目對重組的調(diào)控，以及重組修復(fù)中的DNA合成等。
王應(yīng)祥課題組一直以模式植物擬南芥為研究系統(tǒng)，利用植物的傳統(tǒng)優(yōu)勢，針對減數(shù)分裂重組形成的分子機制開展了系列研究。課題組利用前期建立的減數(shù)分裂細胞分離裝置，對野生型的減數(shù)分裂細胞和體細胞分別進行小RNA和轉(zhuǎn)錄組測序，發(fā)現(xiàn)了2409簇減數(shù)分裂細胞特異的ms-sRNA（meiocyte-specific small RNA）集群，與DSB缺失突變體（spo11-/-）的減數(shù)分裂細胞小RNA比較后，發(fā)現(xiàn)了1660個DSB依賴的ms-sRNAs集群。進一步對siRNA合成途徑相關(guān)突變體的減數(shù)分裂細胞測序，發(fā)現(xiàn)ms-sRNA產(chǎn)生依賴經(jīng)典的RNA聚合酶POL IV和Dicer蛋白的切割。有趣的是，不同于體細胞siRNA主要分布在異染色質(zhì)區(qū)并且抑制轉(zhuǎn)座子和基因的表達，ms-sRNA主要分布在常染色質(zhì)的基因編碼區(qū)，且與基因表達正相關(guān)。此外，我們還發(fā)現(xiàn)DSB依賴的ms-sRNAs富集于重組發(fā)生的熱區(qū)，并和重組偶聯(lián)的DNA基序顯著關(guān)聯(lián)。該工作首次揭示了減數(shù)分裂特異小RNA的長度和分布等特征，特別是其與減數(shù)分裂表達基因和重組的關(guān)系（圖 1）。相關(guān)工作2019年1月23日發(fā)表在《Plant Cell》。同期編輯撰寫了“In brief ”點評了這篇文章。
圖 1 減數(shù)分裂特異sRNA在常染色質(zhì)和異染色質(zhì)區(qū)域的分布和功能
前文提到重組起始于DSB的形成，但是許多物種中DSB的數(shù)目遠遠大于最后重組交換發(fā)生的數(shù)目，關(guān)于DSB的數(shù)目對重組穩(wěn)態(tài)和最終分布的影響還不清楚。 課題組與中國農(nóng)大賀巖課題組合作，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)在DSB缺失突變體（spo11-/-）背景下操控DSB發(fā)生的數(shù)目，首次揭示了減數(shù)分裂中DSB形成的數(shù)目對重組的穩(wěn)態(tài)及分布有著重要調(diào)控作用，相關(guān)結(jié)果于2018年10月發(fā)表在《Plant Cell》。
此外，DSB形成后需要DNA合成環(huán)節(jié)進行修復(fù)，但是重組中DNA合成的相關(guān)研究一直是一個空白。我們前期研究了DNA前導(dǎo)鏈延伸聚合酶ε（POL2A：PNAS，2015）、后隨鏈合成因子RFC1（PLOS Genet，2012）和合成后隨鏈起始引物的聚合酶α（POL1A：Sci Bull，2016）在減數(shù)分裂重組中的具體功能，由此提出減數(shù)分裂重組需要DNA后隨鏈合成的新假說。為了進一步證實這一假設(shè)，最近的研究運用減數(shù)分裂特異的基因沉默技術(shù)，分析了后隨鏈合成聚合酶δ（AtPOLD1）在減數(shù)分裂重組中的具體功能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)降低POLD1的表達，會影響減數(shù)分裂同源染色體聯(lián)會和重組，產(chǎn)生大量染色體碎片，最終導(dǎo)致植物育性降低。通過進一步對不同重組的類型進行定量，發(fā)現(xiàn)POLD1主要影響重組形成的主要途徑，且其功能可能獨立于前導(dǎo)鏈延伸聚合酶ε。該結(jié)果進一步加強了減數(shù)分裂重組需要DNA后隨鏈合成因子的觀點，完善了DNA合成因子參與減數(shù)分裂重組的模型。相關(guān)工作結(jié)果于2018年11月發(fā)表在《Plant Physiology》。
基于王應(yīng)祥課題組近年來在減數(shù)分裂重組方面的系列工作，2018年應(yīng)邀在《Annual Review of Plant Biology》上撰寫了植物減數(shù)分裂重組的專題綜述，完善并提出了最新的減數(shù)分裂重組模型，增添了DNA合成的環(huán)節(jié)。由于減數(shù)分裂重組是農(nóng)作物遺傳育種的理論基礎(chǔ)，增加重組頻率可以加速育種進程，降低重組頻率可以固定雜交優(yōu)勢及良種繁育。最近受邀在《Journal of Genetics and Genomics》撰寫了題為“Engineering Stable Heterosis”的評述（2019年1月9號在線），針對“如何通過操控重組達到固定雜交優(yōu)勢”這一核心問題進行了詳細論述，為將來提高育種效率、增加農(nóng)作物產(chǎn)量、及促進人類生殖健康提供重要理論基礎(chǔ)。
以上系列論文的第一作者（包含并列）為已畢業(yè)的博士生黃霽月、王君和王聰?shù)?，王?yīng)祥為通訊作者；其中與中國農(nóng)大合作的工作，王應(yīng)祥為共同通訊作者。以上研究得到了復(fù)旦大學(xué)遺傳工程國家重點實驗室、國家自然科學(xué)基金面上項目、荷蘭瑞克斯旺公司等資助。
相關(guān)文章鏈接如下：
http://www.plantcell.org/content/early/2019/01/23/tpc.18.00511
http://www.plantphysiol.org/content/early/2018/11/20/pp.18.00861.long
http://www.plantcell.org/cgi/pmidlookup?view=long&pmid=30282794
https://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev-arplant-042817-040431
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S167385271930013X?via%3Dihub
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