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，減數分裂是細胞分裂的一種特殊類型，在這種分裂過程中，一輪DNA 復制與兩輪染色體分離結合在一起。在減數分裂前期，一個關鍵的步驟是同源重組，它促進同源配對并產生交叉。減數分裂重組是由拓撲異構酶樣蛋白 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，介導同源鏈間的入侵，作為同源重組的結果，形成了交叉和非交叉。減數分裂重組是產生遺傳多樣性和保證同源染色體精確分離的基本過程。雖然人們對調節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在線發表了美國邁阿密大學和普渡大學合作的“The mop1 mutation affects the recombination landscape in maize”研究型論文。研究人員發現，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域都緊鄰頻繁重組的位點。

研究人員為了了解RdDM在減數分裂重組中的作用，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。研究發現，在許多生物體中，減數分裂重組沿染色體分布不均勻，大多數周著絲粒區域的重組受到抑制，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域，根據之前的遺傳標記確定的基因和轉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分裂重組頻率，但降低了染色體著絲粒周圍區域的減數分裂重組頻率。

然后，研究人員研究了關于mop1突變體影響整個現象的原因，通過抗體免疫定位發現在mop1突變體中，不會顯著改變Crossover（交叉）前體的總數，而是導致重組向染色體末端區域重新分配，更頻繁地出現在染色體臂上。為了解釋在mop1突變體中發生重組變化的原因，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域比在染色體臂中更高。相反，CHH甲基化在著絲點周圍區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錄后沉默途徑----PTGS也被研究人員進行類相似的研究，發現PTGS途徑中的重要基因lbl1突變對減數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甲基化的去除導致重組向染色體遠端區域重新分配，遠離著絲粒包膜區域。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域CHG甲基化的進一步丟失，這也可能導致mop1突變體重組頻率的變化。另外我們發現一些基因中有許多在依賴mop1的側翼區域隱藏有CHH島，這表明，這些區域的基因在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。