子科生物報道：? 2023年8月19日，王應(yīng)祥課題組在Nature Communications在線發(fā)表了題為“SCFRMF mediates degradation of the meiosis-specific recombinase DMC1”的研究論文（https://www.nature.com/articles/s41467-023-40799-5）。該研究首次在真核生物中揭示了減數(shù)分裂特異重組酶DMC1受到泛素化修飾并通過蛋白酶體降解的分子機(jī)制，并證實(shí)了DMC1的穩(wěn)態(tài)維持是保證同源染色體發(fā)生重組和交換的基礎(chǔ)。

減數(shù)分裂是真核生物有性生殖產(chǎn)生單倍體配子（精子或卵子）所必需的細(xì)胞分裂形式，經(jīng)過一次DNA復(fù)制及兩次細(xì)胞核分裂，產(chǎn)生染色體數(shù)目減半的配子，雌雄配子融合后染色體數(shù)目又恢復(fù)正常，從而保證了遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性。減數(shù)分裂過程中同源染色體間的重組既確保了同源染色體間遺傳信息發(fā)生交換，又促進(jìn)了種群的演化和生物多樣性的形成。減數(shù)分裂重組起始于SPO11介導(dǎo)的程序性DNA雙鏈斷裂（Double-strand breaks，DSBs），并依賴于進(jìn)化上高度保守的RecA類重組酶DMC1和RAD51對其進(jìn)行修復(fù)，隨后二者從染色體上解離下來，從而使后隨的重組因子能夠結(jié)合至染色體上，最終產(chǎn)生交換（Crossover，CO）或非交換（Non-crossover，NCO）。其中，DMC1為真核生物中高度保守的減數(shù)分裂特異重組酶，傾向于選擇同源染色體為修復(fù)模板。多個物種中的研究表明，DMC1是減數(shù)分裂中的主效重組酶，而RAD51發(fā)揮輔助功能。從1992年發(fā)現(xiàn)至今30余年，對于DMC1的研究集中于其調(diào)控減數(shù)分裂重組的作用機(jī)制，而對其蛋白質(zhì)的修飾和降解機(jī)制尚不清楚。

本研究利用質(zhì)譜鑒定并結(jié)合生化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)擬南芥減數(shù)分裂特異重組酶DMC1能夠發(fā)生泛素化修飾并通過26S蛋白酶體降解，并進(jìn)一步鑒定到一對減數(shù)分裂功能冗余的F-box蛋白RMF1（Reduced Male Fertility 1）和RMF2 （Reduced Male Fertility 2），rmf1和rmf2單突變體生長發(fā)育未見異常，而雙突變體rmf1 rmf2表現(xiàn)類似于dmc1的減數(shù)分裂重組異常。體內(nèi)體外實(shí)驗(yàn)證明RMF1/2通過其N端的F-box結(jié)構(gòu)域與E3復(fù)合體SCF的ASK1亞基相互作用；遺傳分析表明RMF1/2與ASK1特異地參與 DMC1介導(dǎo)的減數(shù)分裂重組通路。進(jìn)一步研究證實(shí)RMF1/2通過其C端結(jié)構(gòu)域與DMC1的C端相互作用，暗示RMF1/2作為SCFRMF1/2復(fù)合體的F-box亞基參與DMC1的調(diào)控。通過泛素化及蛋白質(zhì)降解實(shí)驗(yàn)證實(shí)，RMF1/2介導(dǎo)DMC1的泛素化并促進(jìn)其通過26S蛋白酶體降解。利用質(zhì)譜鑒定到DMC1的潛在泛素化位點(diǎn)（賴氨酸殘基，K），并將K突變?yōu)椴荒馨l(fā)生泛素化的精氨酸（R），構(gòu)建了相應(yīng)的DMC1-6KR變體。通過AlphaFold預(yù)測，DMC1-6KR的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化；植物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)及生化實(shí)驗(yàn)證實(shí)，DMC1-6KR的亞細(xì)胞定位不受影響，并且同樣能夠與RMF1/2相互作用，但其泛素化水平及降解水平均顯著低于DMC1，暗示這些位點(diǎn)對于DMC1泛素化及降解的重要性。為了進(jìn)一步驗(yàn)證DMC1泛素化對減數(shù)分裂重組的影響，本項(xiàng)目將DMC1全長基因組（DMC1g）及變體DMC1-6KR全長基因組（DMC1g-6KR）轉(zhuǎn)回至dmc1突變體中，發(fā)現(xiàn)DMC1g可以完全恢復(fù)dmc1突變體的減數(shù)分裂異常表型；而DMC1g-6KR/dmc1中DMC1的蛋白質(zhì)水平顯著高于DMC1g/dmc1，但無法恢復(fù)dmc1突變體的減數(shù)分裂重組異常。進(jìn)一步證實(shí)了以上位點(diǎn)對于DMC1泛素化的重要性，并暗示DMC1泛素化及其蛋白質(zhì)水平對于減數(shù)分裂重組至關(guān)重要。

綜上所述，本研究首次在鑒定到了減數(shù)分裂功能性F-box蛋白RMF1/2，揭示了RMF1/2介導(dǎo)DMC1的泛素化并通過26S蛋白酶體降解的分子機(jī)制。由于減數(shù)分裂重組和重組酶DMC1在真核生物中的高度保守性，我們推測本研究發(fā)現(xiàn)的DMC1泛素化調(diào)控和降解機(jī)制在真核生物中也相對保守。同時也證實(shí)了DMC1的穩(wěn)態(tài)維持機(jī)制是保證減數(shù)分裂重組順利進(jìn)行的基礎(chǔ)。研究結(jié)果不僅豐富了減數(shù)分裂重組的分子機(jī)制，還為作物遺傳育種及人類生殖健康提供了理論基礎(chǔ)。