通过应用该课题组成熟的DSB检测技术END-seq

新用户86498439 2020-02-29

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减数分裂是有性生殖生物中必不可少的，染色体数目减半的，特殊的细胞分裂过程。而重组是减数分裂过程中关键步骤，对确保同源染色体正确分离和遗传多样性都有重要意义。大多数哺乳动物中减数分裂重组的发生，首先由PRDM9识别其特异结合序列【1】，对序列附近核小体进行H3K4/36me3修饰，从而招募SPO11产生DNA双链断裂（double strand breaks, DSBs）【2】。随后，MRE11在DNA上产生缺口使得核酸酶可以进入，对5’-3’和3’-5’方向进行切割【3】，产生单链DNA (single strand DNA, ssDNA) 区域，结合重组酶DMC1/RAD51，使其侵入同源染色体起始重组。目前的研究手段，只能通过间接检测MRE11切割后释放的SPO11-oligo【4】或重组酶DMC1【5】来定位DSBs和研究该过程，且这两种技术都存在一定的局限性。

2020年2月12日，美国癌症研究中心的André Nussenzweig课题组（共同第一作者为博士生Jacob Paiano和博后吴薇博士）在Nature Communications上发表了一篇题为ATM and PRDM9 regulate SPO11-bound recombination intermediates during meiosis 的文章，通过应用该课题组成熟的DSB检测技术END-seq【6】对12天至14天的幼年小鼠睾丸细胞进行检测。第一次直接给出了减数分裂过程中的DSB图谱，并对其加工和修复机制进行研究。他们发现每个DSB热点都呈现非常一致的信号结构（图1），主要由一个与SPO11定位一致的中间信号（绿色），两侧呈一定分布的远端信号（红色）组成。他们认为中间信号为SPO11结合的DNA，而两侧的信号分布呈现的为在一群细胞中的DNA末端切割的分布情况。且END-seq对细胞量要求低（一只小鼠的睾丸细胞），精确度高，信噪比好。

吴薇博士揭示减数分裂中ATM与PRDM9在DNA双链断裂中的作用

之前在酵母中的研究发现，5’-3’ 的切割主要由EXO1完成【7】，但在Exo1^-/-小鼠的END-seq结果显示其在小鼠中只有较微弱的影响。此外，他们发现在Dmc1^-/-和Atm^-/-等重组酶RAD51/DMC1不足的情况下，会对5’-3’ 的切割产生负向调节。并且，ATM还参与调控DSB的产生强度和MRE11功能，进而调节切割过程（图2）。

吴薇博士揭示减数分裂中ATM与PRDM9在DNA双链断裂中的作用

接下来，他们对中间信号进行研究，发现其并不是简单的未被MRE11加工释放的SPO11结合的DNA，而是依赖于PRDM9结合的SPO11-cap的重组中间体 (SPO11-bound recombination intermediate, SPO11-RI)。Atm^-/-小鼠中，因MRE11功能受到影响, 其中间信号主要为未被释放的SPO11结合的DNA (unresected SPO11 cleavage complexes, SPO11cc) （图3）。

吴薇博士揭示减数分裂中ATM与PRDM9在DNA双链断裂中的作用

总之，本文不但为减数分裂领域研究提供了一个新的检测技术，并对PRDM9和ATM在DSBs的加工过程中起到的功能给出了新的见解和进一步阐释。

原文链接：https:///10.1038/s41467-020-14654-w

1. Paigen, Kenneth, and Petko M. Petkov. “PRDM9 and its role in genetic recombination.” Trends in Genetics 34.4 (2018): 291-300.

2. Keeney, Scott, et al. double- strand breaks are catalyzed by Spo11, a member of a widely conserved protein family. Cell 88, 375–384 (1997).

3. Garcia, Valerie, et al. “Bidirectional resection of DNA double-strand breaks by Mre11 and Exo1.” Nature 479.7372 (2011): 241-244.

4. Lange, Julian, et al. “The landscape of mouse meiotic double-strand break formation, processing, and repair.” Cell 167.3 (2016): 695-708.

5. Brick, Kevin, et al. “Genetic recombination is directed away from functional genomic elements in mice.” Nature 485.7400 (2012): 642-645.

6. Canela, Andres, et al. “DNA breaks and end resection measured genome-wide by end sequencing.” Molecular cell 63.5 (2016): 898-911.

7. Mimitou, Eleni P., Shintaro Yamada, and Scott Keeney. “A global view of meiotic double-strand break end resection.” Science 355.6320 (2017): 40-45.