2月19日，中國科學院分子細胞科學卓越創新中心童明漢課題組聯合上海交通大學醫學院附屬新華醫院黃旲團隊，在《自然》（Nature）上在線發表了題為In vitro reconstitution of meiotic DNA double-strand break formation的研究成果。該研究基于體外表達和純化的小鼠SPO11-TOP6BL復合體，首次在體外成功重構DNA雙鏈斷裂（DSB）形成，為剖析減數分裂同源重組機制建立了研究平臺。
減數分裂是存在于有性生殖生物中的特殊細胞分裂方式，也是有性生殖的基礎。同源重組是減數分裂中最重要的生物學事件之一。同源重組使親本雙方的遺傳物質發生交換，增加了物種遺傳的多樣性，并能夠使同源染色體之間建立物理連接，以確保它們精確分離，維持染色體數量恒定。同源重組起始于程序性DSB形成。1997年，有研究發現，Spo11是催化酵母減數分裂DSB形成的關鍵蛋白，并揭示其在切割DNA雙鏈后會共價結合在DNA的5'末端。然而，如何在體外表達獲得有活性的Spo11以及如何在體外重構減數分裂DSB形成過程尚不清楚。
Spo11是高度保守的蛋白，屬于II B型拓撲異構酶家族中拓撲異構酶VI（Top6）家族。Top6由兩個催化亞基（Top6A）和兩個調控亞基（Top6B）構成異源四聚體，其活性依賴于Top6A和Top6B的協同作用。SPO11是Top6A的同源物，而TOP6BL作為Top6B的哺乳動物同源物，直到2016年才被發現，并被證明也是減數分裂DSB形成所必需。
為解決體外重構減數分裂DSB形成這一難題，童明漢課題組利用體外蛋白表達純化系統獲得SPO11-TOP6BL復合體，并首次在體外重現其切割DNA雙鏈的活性。隨后，童明漢課題組與黃旲團隊合作，采用凝膠過濾層析、交聯質譜、Pull Down等方法，探討了SPO11-TOP6BL復合體的生化特征，并證實該復合體在溶液中主要以異源二聚體形式存在，且只有極少部分能夠形成異源四聚體。進一步，研究證明，在切割DNA后，SPO11共價結合于切割產物的5'末端。于此，困擾該領域近30年的體外重構減數分裂DSB形成難題得以解決。
值得一提的是，美國紀念斯隆-凱特林癌癥中心Scott Keeney團隊、比利時法語魯汶大學Corentin Claeys Bouuaert團隊分別在《自然》上發表了背靠背論文。同期《自然》為三篇論文配發了評述文章。
研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部、中國科學院及上海市的支持。
論文鏈接
SPO11-TOP6BL切割DNA后共價連接在DNA的5'端
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