mop1突變減低DNA甲基化水平進而改變了玉米染色體重組頻率

（2021.2.18 Plant Biotechnology Journal ）

植物中，減數(shù)分裂是細(xì)胞分裂的一種特殊類型，在這種分裂過程中，一輪DNA 復(fù)制與兩輪染色體分離結(jié)合在一起。在減數(shù)分裂前期，一個關(guān)鍵的步驟是同源重組，它促進同源配對并產(chǎn)生交叉。減數(shù)分裂重組是由拓?fù)洚悩?gòu)酶樣蛋白 SPO11-1和 SPO11-2以及一些輔助蛋白引起的 DNA 雙鏈斷裂（DSBs）啟動的。DSBs隨后被加工成單鏈DNA尾，介導(dǎo)同源鏈間的入侵，作為同源重組的結(jié)果，形成了交叉和非交叉。減數(shù)分裂重組是產(chǎn)生遺傳多樣性和保證同源染色體精確分離的基本過程。雖然人們對調(diào)節(jié)重組的遺傳因素了解很多，但是對于表觀遺傳因素，比如DNA甲基化，卻知之甚少。

近期，國際著名雜志PNAS在線發(fā)表了美國邁阿密大學(xué)和普渡大學(xué)合作的“The mop1 mutation affects the recombination landscape in maize”研究型論文。研究人員發(fā)現(xiàn)，在玉米中，mop1突變可以去除CHH甲基化，這種甲基化在染色體臂和著絲粒周圍區(qū)域都緊鄰頻繁重組的位點。

研究人員為了了解RdDM在減數(shù)分裂重組中的作用，研究了擬南芥同源突變體mop1和lbl1（Leafbladeless1）的重組頻率，并與野生型或雜合同科進行了比較。研究發(fā)現(xiàn)，在許多生物體中，減數(shù)分裂重組沿染色體分布不均勻，大多數(shù)周著絲粒區(qū)域的重組受到抑制，因此，將10條玉米染色體分離成具有代表性的染色體臂和著絲點區(qū)域，根據(jù)之前的遺傳標(biāo)記確定的基因和轉(zhuǎn)座子密度以及基因組每MB的重組頻率。通過比較，有9對在mop1突變體中增加了重組。增長最快的是8號、5號和4號染色體。與此相反，mop1突變體10條玉米染色體著絲點周圍區(qū)域的重組率均勻降低，對10、8、5號染色體的影響較大。總的來說，mop1突變增加了染色體臂的減數(shù)分裂重組頻率，但降低了染色體著絲粒周圍區(qū)域的減數(shù)分裂重組頻率。

然后，研究人員研究了關(guān)于mop1突變體影響整個現(xiàn)象的原因，通過抗體免疫定位發(fā)現(xiàn)在mop1突變體中，不會顯著改變Crossover（交叉）前體的總數(shù)，而是導(dǎo)致重組向染色體末端區(qū)域重新分配，更頻繁地出現(xiàn)在染色體臂上。為了解釋在mop1突變體中發(fā)生重組變化的原因，研究人員進行了高通量全基因組亞硫酸鹽定序（WGBS）測定，并觀察到CG和CHG的甲基化在著絲粒區(qū)域比在染色體臂中更高。相反，CHH甲基化在著絲點周圍區(qū)域低于野生型花藥染色體臂。此外，我們觀察到所有10條染色體的mop1突變體的CG和CHG甲基化輕微下降，但CHH甲基化明顯下降。另外，為了研究另外一個轉(zhuǎn)錄后沉默途徑----PTGS也被研究人員進行類相似的研究，發(fā)現(xiàn)PTGS途徑中的重要基因lbl1突變對減數(shù)分裂重組沒有全局性的影響。

總的來說，我們對影響玉米mop1和lbl1的兩個典型突變體的重組頻率進行了研究。我們證明，mop1突變體對CHH甲基化的去除導(dǎo)致重組向染色體遠(yuǎn)端區(qū)域重新分配，遠(yuǎn)離著絲粒包膜區(qū)域。盡管mop1突變體對DNA甲基化水平有相對微妙的影響，但是觀察到了對重組頻率的重要影響，提示RdDM在玉米減數(shù)分裂重組中的重要作用。值得注意的是，CHH的丟失可能引起基因附近上游和下游區(qū)域CHG甲基化的進一步丟失，這也可能導(dǎo)致mop1突變體重組頻率的變化。另外我們發(fā)現(xiàn)一些基因中有許多在依賴mop1的側(cè)翼區(qū)域隱藏有CHH島，這表明，這些區(qū)域的基因在RdDM在提供基因和相鄰TE之間的邊界方面所起的作用并沒有根本的不同。