减数分裂重组对于世代繁殖、物种多样性以及作物遗传育种具有重要意义。交叉（crossover, CO）作为同源染色体重组交换遗传信息的产物，其在染色体上呈非随机分布，约80%以上重组事件集中分布在占基因组约25%的重组热区，且倾向于发生在常染色质区，并在近着丝粒的异染色质区被抑制，而这一分布规律背后的调控机制尚不清楚。已有研究证实 H3K9me2、DNA 甲基化、组蛋白变体等表观修饰参与重组调控；植物特有的H3K27me1主要富集于异染色质，由植物特异的ATXR5/6（ARABIDOPSIS TRITHORAX-RELATED PROTEIN 5/6）催化。以往仅知晓 ATXR5/6 在体细胞中具有维持异染色质压缩、沉默转座子的功能，但对于其是否调控减数分裂重组尚不清楚。
近日，生命科学学院王应祥教授团队在国际知名期刊Journal of Integrative Plant Biology（中科院一区Top期刊，影响因子10.1）在线发表了题为“ATXR5 and ATXR6 restrict meiotic crossover formation within heterochromatin in Arabidopsis”的研究论文。该研究解析了ATXR5/6抑制减数分裂异染色质区重组形成的分子机制。
研究发现，ATXR5和ATXR6通过调控异染色质凝缩及其修饰来抑制减数分裂异染色质中CO的形成。在atxr5 atxr6突变体中，减数分裂CO数目明显增加，回补实验可完全恢复表型，证实 ATXR5/6负调控减数分裂CO形成。通过遗传分析和重组标记蛋白的免疫荧光实验证明ATXR5/6突变可能不影响DNA双链断裂（double strand break, DSB）的形成，但可以同时促进干涉敏感型和干涉不敏感型两类重组通路。
进一步研究发现双突变体中出现减数分裂异染色质区去凝缩、H3K27me1信号减弱以及DNA甲基化特异性降低等异常，同时伴随近着丝粒区异染色质区重组频率的显著升高。和以往研究一致，ATXR5/6在体细胞中主要调控异染色质凝缩和基因/转座子沉默而不影响DNA甲基化；意外的是，在减数分裂细胞中，ATXR5/6对于基因表达的影响很小，也不调控减数分裂功能基因表达，却特异性维持异染色质 CHG 甲基化与 H3K27me1 修饰，暗示其通过维持异染色质表观修饰和结构而非转录调控抑制重组（图1）。
此外，atxr5 atxr6 背景下敲除重组因子MMS AND UV SENSITIVE 81 (MUS81) 会引发严重营养生长和生殖发育缺陷；三突变体减数分裂出现着丝粒异常粘连和碎片化，导致多分体出现，以及花粉活力和结实率显著下降，暗示着丝粒周边异常重组无法被正常修复。这表明MUS81对于解除ATXR5/6 缺失后产生的异染色质区异常重组中间体至关重要，从而维持基因组稳态（图1）。
图1 ATXR5/6在调控减数分裂异染色质重组中的作用模型
该研究系统解析了ATXR5/6抑制减数分裂异染色质区重组形成的分子机制，拓宽了ATXR5/6在生殖细胞中区别于体细胞的表观遗传功能，并为突破作物异染色质区域重组瓶颈、打破基因连锁、挖掘优异等位变异提供理论基础。
复旦大学已毕业张俊博士和余悦博士为该论文共同第一作者，生命科学学院王聪教授和王应祥教授为该论文的共同通讯作者。学校博士生李美玲和尤辰江教授参与了该工作。该研究得到了中国国家自然科学基金，岭南现代农业科学与技术广东省实验室，广东省第九批珠江人才计划，广州市科技项目和华南农业大学等的资助。
相关论文链接：https://doi.org/10.1111/jipb.70311
文图/生命科学学院
