北京時(shí)間2月19日24點(diǎn)，國際學(xué)術(shù)期刊Nature 在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）童明漢研究組聯(lián)合上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院黃旲團(tuán)隊(duì)的研究成果，題為“In vitro reconstitution of meiotic DNA double-strand break formation”。該研究基于體外表達(dá)和純化的小鼠SPO11-TOP6BL復(fù)合體，首次在體外成功重構(gòu)了DNA雙鏈斷裂(Double-Strand Break, DSB)的形成，為解析減數(shù)分裂同源重組機(jī)制建立了研究平臺。
減數(shù)分裂是存在于有性生殖生物中的特殊細(xì)胞分裂方式，為有性生殖的基礎(chǔ)。同源重組是減數(shù)分裂中最重要的生物學(xué)事件，它不僅使來自親本雙方的遺傳物質(zhì)發(fā)生交換，增加了物種遺傳的多樣性；而且還能讓同源染色體之間建立物理連接，以確保它們的精確分離，維持染色體數(shù)量的恒定。同源重組起始于程序性DSB的形成。早在1997年，研究發(fā)現(xiàn)Spo11為催化酵母減數(shù)分裂DSB形成的關(guān)鍵蛋白；并揭示其在切割DNA雙鏈后，會共價(jià)結(jié)合在DNA的5'末端。然而，如何在體外表達(dá)獲得有活性的Spo11，以及如何在體外重構(gòu)減數(shù)分裂DSB形成過程，長期以來一直懸而未決，這一問題被譽(yù)為減數(shù)分裂同源重組研究領(lǐng)域的“圣杯”。
Spo11是一種高度保守的蛋白，屬于II B型拓?fù)洚悩?gòu)酶家族中拓?fù)洚悩?gòu)酶VI（Top6）家族。Top6由兩個(gè)催化亞基（Top6A）和兩個(gè)調(diào)控亞基（Top6B）構(gòu)成異源四聚體，其活性依賴于Top6A 和Top6B的協(xié)同作用。SPO11為 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(fā)現(xiàn)，并被證明也為減數(shù)分裂DSB形成所必需。
為了解決體外重構(gòu)減數(shù)分裂DSB形成這一難題，童明漢課題組利用體外蛋白表達(dá)純化系統(tǒng)成功獲得了SPO11-TOP6BL復(fù)合體，并首次在體外重現(xiàn)其切割DNA雙鏈的活性。之后，與新華醫(yī)院黃旲團(tuán)隊(duì)合作，采用凝膠過濾層析、交聯(lián)質(zhì)譜、Pull Down等方法，系統(tǒng)地研究了SPO11-TOP6BL復(fù)合體的生化特征；證實(shí)該復(fù)合體在溶液中主要以異源二聚體形式存在，只有極少部分能形成異源四聚體。接著進(jìn)一步證明在切割DNA后，SPO11共價(jià)結(jié)合于切割產(chǎn)物的5’末端。于此，困擾領(lǐng)域近30年的體外重構(gòu)減數(shù)分裂DSB形成難題迎刃而解。
分子細(xì)胞卓越中心湯辛哲博士生和合作的胡澤濤博士生為該論文共同第一作者；分子細(xì)胞卓越中心童明漢研究員和上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院黃旲教授為該論文共同通訊作者。值得一提的是，美國紀(jì)念斯隆-凱特琳癌癥中心Scott Keeney團(tuán)隊(duì)、比利時(shí)法語魯汶大學(xué)Corentin Claeys Bouuaert團(tuán)隊(duì)分別在Nature上發(fā)表了背靠背文章“Reconstitution of SPO11-dependent double-strand break formation”和“SPO11 dimers are sufficient to catalyse DNA double-strand breaks in vitro”。Nature同期為三篇文章配發(fā)了由加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校Francisco Mendez Diaz博士和Kevin D. Corbett教授共同撰寫題為“Enzyme used in meiosis makes the cut in vitro”的評述，指出這三項(xiàng)研究代表了減數(shù)分裂同源重組領(lǐng)域的"a big break"，開啟了該領(lǐng)域的“a new era of research”。該研究工作得到中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)蔡剛教授、分子細(xì)胞卓越中心吳薇研究員、李典范研究員、劉珈泉研究員、丁建平研究員、張少慶研究員以及李黨生研究員的大力支持和幫助；分子細(xì)胞卓越中心動物實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺、生物信息學(xué)平臺、中國科學(xué)院上海高等研究院國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（上海）設(shè)施為該工作提供了支持。該項(xiàng)研究工作獲得國家自然科學(xué)基金、科技部、上海市和中國科學(xué)院的項(xiàng)目資助。
SPO11-TOP6BL切割DNA后共價(jià)連接在DNA的5'端
（a）SPO11-TOP6BL對超螺旋質(zhì)粒的切割實(shí)驗(yàn)，隨著反應(yīng)時(shí)間增加，質(zhì)粒逐漸被切割成線性（b）SPO11-TOP6BL對線性DNA的切割實(shí)驗(yàn)，隨著反應(yīng)時(shí)間增加，長的線性DNA逐漸被切割成不同長度的DNA片段（c）添加SDS并不能破壞蛋白和DNA的互作,表明SPO11-TOP6BL切割DNA后共價(jià)連接在DNA上（d）hTDP2能破壞SPO11和DNA的互作，表明SPO11與DNA的共價(jià)連接通過SPO11的Y138殘基和DNA的5'端之間形成的5'磷酸酪氨酸鍵實(shí)現(xiàn)
