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遗传发育所解析同源重组保障的新机制,遗传发

发布时间:2019-07-09 15:09编辑:科学浏览(114)

    减数分裂过程中,性母细胞主动产生大量DNA双链断裂(double-strand break, DSB),以起始同源重组,形成交叉结,确保同源染色体均等分离。但是,同源重组并不是唯一DSB修复方式,其他非精确修复途径如非同源末端连接(non-homologous end joining, NHEJ),也能够参与DSB修复。如何保障同源重组,避免减数分裂DSB通过其他非精确的途径进行修复?目前人们对于这一问题的认识还非常有限。

    减数分裂过程中,性母细胞会主动产生DNA双链断裂(double-strand break, DSB),起始同源重组。同源重组正常发生在同源DNA之间,若在非同源DNA之间发生重组,则会导致后代基因组的紊乱。为此,生物体进化出了一套完善的体系,避免在序列相似的非同源DNA之间发生重组。但是目前对该保障体系的了解还非常有限。

    同源重组不仅是物种遗传多样性产生的源泉,它的产生还使得同源染色体在中期I以二价体形式排列在赤道板上,保证了后期I同源染色体间的正确分离。同源重组的位点在细胞学上又称为交叉结。减数分裂过程中,交叉结的数目是被严格控制的,在性母细胞主动产生的众多DNA双链断裂(double-strand break, DSB)中,哪些DSBs会被选择形成交叉结,其分子机制还很不清楚。

    在减数分裂偶线期,染色体会蜷缩成一团,使所有染色体端粒聚集在核膜内侧,形成特定的端粒花束结构。这种染色体的形态建成,作为一个高度保守的减数分裂事件,在同源染色体配对和随后减数分裂进程中发挥着重要作用。近年来,在酵母和哺乳动物中相继分离了一些参与端粒花束形成的重要因子, 但这些因子在不同物种间很不保守。目前,植物中偶线期染色体形态建成的分子机制尚不清楚。

    中国科学院遗传与发育生物学研究所程祝宽研究组发现RAD1参与水稻减数分裂DSB修复。RAD1突变导致减数分裂细胞中出现非同源染色体间的黏连和染色体碎片。进一步研究表明RAD1突变引起的染色体黏连不依赖于DMC1的功能,而是大部分来源于KU70介导的NHEJ途径。RAD1能够与RAD9和HUS1相互作用,形成9-1-1复合体,共同参与保障水稻减数分裂同源重组。该研究揭示了RAD1在植物减数分裂中的功能,为深入理解同源重组保障机制奠定了基础。

    中国科学院遗传与发育生物学研究所程祝宽研究组发现一个新的重组中间体蛋白MEICA1 (Meiotic chromosome association 1),它是一个非常保守的真核生物蛋白,但尚未有相关研究的报道。MEICA1突变导致染色体间的异常黏连和染色体碎片,这些异常黏连和碎片依赖于SPO11-2和DMC1,但与KU70介导的非同源末端连接修复途径无关。MEICA1能够与MHS7相互作用,共同参与抑制非同源重组的发生。MEICA1亦能与TOP3a相互作用,并且MEICA1突变能部分恢复突变体msh5和hei10的染色体交叉结数目,说明MEICA1具有调节重组频率的功能。相关研究为揭示同源重组保障的分子机制奠定了理论基础,同时为育种过程中提高重组频率提供了基因资源。

    中国科学院遗传与发育生物学研究所程祝宽研究组在水稻中鉴定出一个新的交叉结形成相关蛋白HEIP1(HEI10 Interaction Protein 1)。在HEIP1突变体中,交叉结的数目显著减少,但重组早期蛋白的定位以及联会复合体的形成均能正常发生。HEIP1与重组标记蛋白HEI10之间存在相互作用,并在染色体上共定位,是一新的重组标记蛋白。HEIP1的染色体定位依赖于HEI10,而HEI10的定位则不依赖HEIP1。此外,HEIP1与交叉结形成促进因子MSH5和ZIP4之间也存在相互作用。HEIP1在染色体上的定位依赖于ZIP4,而不依赖于其中几个重组元件,如MSH4、MSH5、MER3等。相关研究为深入揭示减数分裂同源重组形成的分子机制奠定了重要基础。

    中国科学院遗传与发育生物学研究所程祝宽研究组通过图位克隆方法,在水稻中发现了一个新的参与偶线期染色体形态建成的因子ZYGOTENE 1 。在zygo1突变体中,偶线期染色体不能聚集,散布在整个细胞核中,端粒花束也不能形成。因而在整个减数分裂期,观察不到偶线期的出现,表现为一个没有偶线期的突变体。ZYGO1突变影响OsSAD1在核膜的极性定位,并由ZYGO1控制的染色体形态建成,独立于DSB形成与修复等一系列重要事件。由于偶线期的染色体形态不能正确建成,对随后的同源染色体配对、联会和交换均产生影响。ZYGO1编码一个新的F-box蛋白,该蛋白通过其F-box结构域和OSK1蛋白互作,表明ZYGO1作为SCF复合体的组分,调控偶线期染色体的形态建成。相关研究为深入揭示减数分裂偶线期染色体形态建成的分子机制奠定了基础。

    该研究结果于8月10日在线发表于《植物生理学》(Plant Physiology)(DOI: 10.1104/pp.16.00831),程祝宽研究组博士研究生胡青、助理研究员唐丁和博士后王洪俊为该论文的共同第一作者。该项工作受到国家自然科学基金委员会项目的资助。

    相关论文于7月10日在《植物细胞》(The Plant Cell)杂志在线发表(DOI: 10.1105/tpc.17.00241)。程祝宽研究组博士研究生胡青、助理研究员李亚非为该文章的共同第一作者。该研究得到科技部、国家自然科学基金委等的项目资助。

    该论文于10月1日在线发表于《美国国家科学院院刊》(PNAS,DOI:10.1073/pnas.1807871115),程祝宽研究组的工作人员李亚非和已毕业博士生覃宝祥为该文章的共同第一作者,程祝宽为通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等的资助。

    研究成果在线发表在The Plant Cell杂志上。研究工作得到科技部、国家自然科学基金委等的资助。

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    图: HEIP1介导水稻减数分裂同源重组的形成

    减数分裂染色体形态

    图:MEICA1参与抑制减数分裂非同源重组

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