Science | 牛津科研团队通过单精子全基因组测序揭示了影响减数分裂重组的因素

推荐：江舜尧

编译：微遗传

编辑：江舜尧

2019年3月22日Science发表了一篇题为“Factors influencing meiotic recombination revealed by whole-genome sequencing of single sperm”的重大研究成果，该研究通过单精子全基因组测序揭示了影响减数分裂重组的因素。

内容简介

在二倍体生物中，每对同源染色体中的两条染色体在大多数细胞功能中相互独立。在减数分裂中，一对染色体必须首先在细胞核中相互定位，然后通过重组和交叉来交换遗传物质。这种物理交换对减数分裂中染色体的正确分离是必不可少的。除了突变，它也塑造了自然种群的遗传变异模式，为自然选择提供了基础。重组是由程序DNA双链断裂(DSBs)的形成启动的。修复这些断裂需要在同源染色体中寻找匹配的序列。虽然DSBs主要是使用同源染色体作为模板进行修复，但只有一小部分会导致交换的形成。

基本原理

大多数DSBs发生在被称为重组热点的狭窄区域，DNA结合特异性蛋白质PRDM9在小鼠和许多其他物种中被定义。尽管最近取得了一些进展，但关于减数分裂过程中发生的分子过程以及影响单个DSBs修复结果的因素，仍有许多未知之处。研究人员开发并应用了一种单精子全基因组扩增和DNA测序的方法，以前所未有的分辨率提供全基因组的交叉图谱。他们将其与不同减数分裂阶段的分子测定方法相结合:H3K4me3(测量PRDM9结合)、spo11-寡核苷酸(计算DSBs)和单链DNA上的DMC1(测量DSBs的数量和持久性)。

结果

他们报道了217个来自杂交小鼠精子的单细胞测序，推断出全基因组共有2649个交叉位点，分辨率中值为916个碱基对(bp)，其中386个交叉位点的分辨率在250 bp以内。用阶段特异性分子重组措施比较高分辨率转换图，确定了四个因素极大增加一个特定的DSB将解决交叉的机会:(1) PRDM9是否在DSB位点结合未切割的模板染色体(用于修复的染色体)；(2)端粒热点的距离；(3)局部GC含量；(4) 热点的Prdm9等位基因类型。他们表明，这四个因素中的每一个都持续减少了同源染色体的接触时间，特别是在DSB位点的单链DNA定位并侵入其同源染色体的DNA双链之前的时间。他们证明了在交叉中断点的精确位置，从一个同源染色体到另一个同源染色体的开关点也受PRDM9是否结合了模板的影响。交叉断点由模板染色体的染色质环境调节，避免了核小体占据的位置。他们还发现，在男性中必须有交叉的伪常染色体区域很可能是由顺式作用因子决定的，并且具有比预期更高的使用热点，而这些热点独立于PRDM9激活。

结论

除了定位DSBs外，他们的工作还确定了PRDM9在减数分裂中的其他作用，他们表明最快与同源染色体结合的断口更有可能作为交叉断口修复。他们确定的每一个促成因素也暗示了一些机制，而这些机制可能会有助于探索同源搜索这一具有挑战性的问题。

图示：精子中交叉因子的鉴定及影响减数分裂中双链断裂修复的因素

（图片引自Science）

（Top）减数分裂细胞经历程序化的双链断裂，其中一些会分解为交叉断裂。单精子DNA测序确定交叉位点。(Bottom)如果PRDM9与同源染色体上的相同位置结合，如果它靠近端粒，或者如果局部GC含量高，那么双链断裂更有可能迅速与同源染色体发生连接(作为交叉进行处理)。

原文链接：http://science.sciencemag.org/content/363/6433/eaau8861

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