王應(yīng)祥課題組揭示植物減數(shù)分裂中SCC2裝載黏連蛋白復(fù)合體的分子機(jī)制
6月9日，我院王應(yīng)祥課題組聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)客座教授北卡羅來納大學(xué)教堂山分校Gregory Copenhaver研究組在PLOS Genetics雜志在線發(fā)表題為“The cohesin loader SCC2 contains a PHD finger that is required for meiosis in land plants”的研究論文，揭示了植物減數(shù)分裂過程中SCC2參與招募黏連蛋白的新機(jī)制。
減數(shù)分裂是真核生物有性生殖的必需環(huán)節(jié)，其過程需要一類黏連蛋白（Cohesin）捆綁姐妹染色單體，以確保后續(xù)同源染色體之間配對、聯(lián)會、重組和分離的有序進(jìn)行。黏連蛋白是真核生物中高度保守的多亞基蛋白復(fù)合物，有絲分裂中主要負(fù)責(zé)捆綁DNA復(fù)制后形成的姐妹染色單體，維持基因組的穩(wěn)定及染色體的正確分離。酵母有絲分裂的研究發(fā)現(xiàn)，SCC2/SCC4復(fù)合物（Sister Chromatid Cohesion 2/4）負(fù)責(zé)染色體上Cohesin的裝載。其中，SCC2促進(jìn)Cohesin裝載到染色體上，而SCC4決定了染色體上的結(jié)合位點(diǎn)。但由于Cohesin及SCC2/SCC4復(fù)合物功能的重要性，動植物中SCC2/SCC4完全缺失會胚胎致死，限制了對生物學(xué)功能的深入研究。目前對于植物減數(shù)分裂中SCC2/SCC4如何幫助招募Cohesin的機(jī)制尚不清楚。
此研究利用Copenhaver教授團(tuán)隊(duì)化學(xué)誘變構(gòu)建的擬南芥突變體庫，從中篩選到一個減數(shù)分裂異常突變體。通過基因組重測序發(fā)現(xiàn)，其SCC2基因的第22外顯子3’端發(fā)生單堿基突變，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄本的錯誤剪切及蛋白翻譯的提前終止。細(xì)胞學(xué)分析該突變體的減數(shù)分裂過程，發(fā)現(xiàn)同源染色體聯(lián)會、重組和分離均不正常；進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)減數(shù)分裂重組的起始正常，但是減數(shù)分裂特異的Cohesin亞基SYN1的裝載異常。遺傳分析結(jié)果顯示SCC2與多個Cohesin相關(guān)基因SYN1、WAPL1/2處于同一通路，并參與RAD51介導(dǎo)的以姐妹染色單體為模板的重組修復(fù)。
該研究進(jìn)一步證明SCC2的N端與SCC4相互作用，暗示植物減數(shù)分裂過程中SCC2-SCC4可能也通過形成復(fù)合體來發(fā)揮功能。然而，通過特異降低減數(shù)分裂細(xì)胞中SCC4的表達(dá)量，雖然轉(zhuǎn)基因植株的育性明顯降低，但未發(fā)現(xiàn)減數(shù)分裂異常，表明植物減數(shù)分裂可能并不需要SCC4，同時(shí)揭示了SCC4在植物有絲分裂和減數(shù)分裂過程中的功能分化。
此外，不同于動物SCC2蛋白，陸生植物SCC2蛋白具有一個特有且保守的PHD（plant homeodomain）結(jié)構(gòu)域，體外生化實(shí)驗(yàn)證明SCC2的PHD結(jié)構(gòu)域能夠結(jié)合未修飾及甲基化的組蛋白H3、H4和H2A。體內(nèi)功能實(shí)驗(yàn)證明，AtSCC2的PHD結(jié)構(gòu)域是正常減數(shù)分裂所必需，而有絲分裂中則不需要該結(jié)構(gòu)域。
綜上所述，該研究提出了SCC2參與減數(shù)分裂黏連蛋白復(fù)合體招募的工作模型（見下圖）。在動植物的減數(shù)分裂間期（Pre-meiosis），SCC2與SCC4共同參與招募Cohesin到染色體上，其中SCC2通過C端的“鉤子”幫助Cohesin的裝載，SCC4負(fù)責(zé)決定Cohesin在染色體上的結(jié)合位點(diǎn)。進(jìn)入減數(shù)分裂后，SCC2-SCC4在減數(shù)分裂特異的Cohesin裝載或替換中出現(xiàn)了功能分化。動物SCC2-SCC4可能仍然以復(fù)合體執(zhí)行減數(shù)分裂特異的Cohesin替換，其位點(diǎn)特異性可能由SCC4決定；而植物SCC2通過不依賴于SCC4的方式，利用特異PHD結(jié)構(gòu)域結(jié)合組蛋白，從而決定Cohesin的替換位點(diǎn)。該研究首次揭示了植物減數(shù)分裂中SCC2招募黏連蛋白的作用機(jī)制，為動植物減數(shù)分裂過程中SCC2介導(dǎo)黏連蛋白招募的異同提供了依據(jù)。
圖注：動植物減數(shù)分裂中SCC2裝載黏連蛋白復(fù)合體的作用模型
我院15級博士生王宏寬及17級博士生徐婉約為此文的并列第一作者，遺傳工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、遺傳與發(fā)育協(xié)同創(chuàng)新中心，生物多樣性和生態(tài)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的王應(yīng)祥研究員與美國北卡羅來納大學(xué)教堂山分校的Gregory Copenhaver教授為文章的共同通訊作者，美國賓州州立大學(xué)的馬紅教授參與并對該課題提供了大量幫助。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金委員會和復(fù)旦大學(xué)遺傳工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，及美國國家自然科學(xué)基因項(xiàng)目的共同資助。
全文鏈接：https://journals.plos.org/plosgenetics/article?id=10.1371/journal.pgen.1008849
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