Nature | 减数分裂DNA双链断裂凝聚体组装新机制

撰文丨十一月

减数分裂过程中需要染色体的精确分离。在减数分裂周期中，由Spo11蛋白介导产生的DNA双链断裂 （DNA double-strand breaks，DSBs） 引发的同源重组对于基因组稳定性的维持非常关键 【1】 。DSBs形成过程是受到调控的，同时也与大范围的染色体结构形成相关，但是一直以来调节和控制DNA双链断裂的蛋白质装配体组织方式还不得而知。

近日，美国纪念斯隆·凯特琳癌症中心和霍华德·休斯医学院Scott Keeney研究组与Corentin Claeys Bouuaert （第一作者） 发文题为 DNA-driven condensation assembles the meiotic DNA break machinery ， 通过对酿酒酵母中高度保守且关键的调控DSB的RMM蛋白复合体分子特性进行解析，揭开了染色体轴上创造DSB活性中心凝聚体的组装机制。

在酿酒酵母中，与DSB形成相关的蛋白家族共由三组10个蛋白组成 【2】 。第一组是核心复合物 （Core complex） ，有Spo11、Rec102、Rec104以及Ski8形成的DSB酶，与古细菌拓扑异构酶相关；第二组是MRX （Mre11、Rad50以及Xrs2） 蛋白复合物，对于DSB的加工过程非常关键；第三组是RMM （Rec114、Mei4以及Mer2） 蛋白，是关键的DSB装置，主要是通过酵母双杂交、免疫共沉淀以及对其形成点状 （Foci） 结构的蛋白质共定位实验确认的。RMM蛋白复合物位于DSB形成和染色体组织之间的十字路口：它们在减数分裂前期早期与染色质相关，并沿着染色体轴形成重叠且相互依赖的点状信号 【3,4】 。

既然RMM复合物中组分的功能关系是已知的，首先作者想对此三组分复合物进行纯化。但是通过蛋白纯化实验，作者们发现Mer2单独以及Rec114-Mei4复合物是可以被纯化的，但是稳定的三组分RMM复合物很难得到。通过对这三个蛋白的序列分析后，作者们发现Rec114中包含很多的无序序列，Mei4也是如此。通过多角度光散射排阻色谱法，作者们发现Rec114与Mei4之间可以以2:1的化学计量比例形成复合体。除此之外，Mer2中的功能结构域之间也包含无序序列。

先前的研究表明Rec114、Mei4以及Mer2会形成与染色质相连的点状信号 （图1） ，但是一直以来这些点状信号的生物物理特性还不得而知。通过凝胶迁移电泳实验，作者们发现Rec114-Mei4复合物与Mer2各自都具有结合DNA的能力。Mer2纯化后的蛋白可以在体外形成液滴，而在加入DNA后进一步促进液滴尺寸的增加。这给了作者们一个提示——Rec114、Mei4以及Mer2可能会通过液-液相分离介导形成凝聚体 （Condensates） ，并且这其中还需要DNA的参与。凝聚体形成的细胞内的无膜包被的组分对于转录、信号转导、应激胁迫响以及其他多种生物学过程都非常关键，生物大分子的相分离过程通常是多价组分之间的弱相互作用力介导的 【5-7】 。为了进一步证实该假设，作者们对纯化后的Rec114-Mei4复合体以及Mer2蛋白特性进行检测。在5%的聚乙二醇的促进下，可以显著的增加Rec114-Mei4复合体以及Mer2蛋白凝聚体的荧光强度。而且作者们发现在高盐的条件下，凝聚体会被抑制，因此说明该液-液相分离促进形成的凝聚体依赖于静电相互作用。

图1 DSB复合物 【4】

进一步地，作者们想知道RMM复合物中各个组分的DNA结合能力对于凝聚体的形成以及生物学功能之间是否存在影响。通过对DNA结合位点的突变减少系统中的价态之后，体内的结果证实这些突变会显著降低点状RMM复合物的形成。另外，DNA结合突变会造成减数分裂过程中DSB形成的缺陷，导致酿酒酵母的孢子存活能力下降。因此，RMM复合物中DNA结合能力对于体内以及体外DAN驱动的凝聚体的产生以及DSB促进的活性都非常重要，同时也说明凝聚体形成本身对于这些蛋白的生物学功能也是非常关键的。

另外，作者们还发现当对Spo11核心复合物进行标记后，与预组装后的RMM-DNA凝聚体进行混合，核心复合物会与RMM的点状信号共同定位。进一步地，作者们对两复合物之间的相互作用界面进行鉴定发现，核心复合物被Rec114-Mei4-Mer2凝聚体招募主要通过两种方式，其一是依赖于核心复合物与Mer2的作用界面，另外一种依赖于Rec114与Rec102以及Rec104的相互作用界面。

总的来说， 该工作发现Rec114-Mei4以及Mer2会各自形成亚复合物，并通过DNA的存在组装成为微米大小的核蛋白超级复合物，并控制DNA双链断裂过程的准确发生。通过液-液相分离形成的这些装配体是可逆的，依赖于蛋白质-DNA以及蛋白质-蛋白质之间的多价相互作用，DNA驱动的凝聚体的产生是重组过程起始的重要层面。同时，DNA驱动的RMM凝聚体形成机制为细胞如何减轻减数分裂过程中程序化DNA断裂的潜在危险提供了新的思考。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03374-w

制版人：十一

参考文献

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