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近日，中南民族大学生命科学学院刘冰课题组在The Plant Journal上发表题为ATM-mediated double-strand break repair is required for meiotic genome stability at high temperature的研究论文，揭示了高温下ATM维持植物基因组稳定性的机制。
减数分裂是真核生物维持基因组稳定性和产生遗传多样性的基础。在减数分裂前期，同源染色体之间发生配对和联会，并进行同源重组，以产生新的基因组合，并保证后期染色体进行均等地分离。减数分裂同源重组起始于DNA拓扑异构酶SPO11催化的DNA双链断裂 （DSB） 的形成，随后，MRN复合体协同激酶ATM启动重组依赖型DSB修复途径。在ATM下游，重组酶RAD51和DMC1修复DSB形成交叉，促使同源重组发生。DSB的正常修复对于染色体保持完整性至关重要，其异常会引起染色体片段化及后期分离异常，最终导致植物败育。环境温度会影响减数分裂多个过程。该课题组前期发现超过育性阈值的高温 （36℃–38℃) 能够通过抑制DSB的形成和联会复合体的组装从而抑制拟南芥同源重组的发生 (Lei et al., 2020; Ning et al., 2021; Fu et al., 2021) 。然而，温度影响同源重组的机制目前了解得还很少。
在本研究中，作者通过分析DSB形成蛋白在减数分裂前期染色体上的定位发现，高温能够减少SPO11-1和DFO蛋白的染色体定位，推测高温可能通过影响DSB形成复合体的构建或聚集从而干扰DSB形成。在多种真核生物中，ATM负调控DSB形成，而其在高温处理后的减数分裂时期花苞中的表达上调，作者猜测高温可能通过上调ATM从而减少DSB的形成。通过研究在高温处理前后atm突变体减数分裂前期染色体上SPO11-1，DFO，RAD51和DMC1蛋白的数量，作者证实，高温抑制DSB形成并不依赖ATM的负调控作用。另一方面，在常温下，atm具有较低水平的染色体片段化程度，这是由于DSB修复受到ATM功能缺失导致；在高温下，作者发现其染色体片段化水平显著提高，表明ATM介导的DSB修复对于拟南芥在高温下保持基因组完整性至关重要。进一步细胞遗传学研究发现，ATM在高温下调控DSB修复依赖MRN复合体的功能，并通过一个不依赖RAD51的信号通路；并且，ATM介导的DSB修复依赖染色体轴的正常构建。
高温影响DSB形成和修复机制的机制模型
本研究初步揭示了在高温胁迫下ATM保护拟南芥基因组稳定性的遗传机理，有助于深入了解植物生殖发育适应环境温度变化的机制。目前，该课题组 （http://www.arameiosis-bl.cn/） 正在进一步深入研究染色体轴和ATM协同调控减数分裂DSB修复的分子机制。
中南民族大学生科院2021级研究生赵嘉怡为该论文第一作者；中南民族大学生科院刘冰为通讯作者。汉堡大学Arp Schnittger教授和华中农业大学杨超教授参与了该项研究。康奈尔大学Wojtek Pawlowski教授对本研究提出了有益建议。本研究得到了国家和湖北省自然科学基金以及武汉市知识创新专项等项目的资助。
参考文献：
1.Jiayi Zhao, Xin Gui, Ziming Ren, Huiqi Fu, Chao Yang, Wenyi Wang, Qingpei Liu, Min Zhang, Chong Wang, Arp Schnittger, Bing Liu* (2023). ATM-mediated double-strand break repair is required for meiotic genome stability at high temperature. The Plant Journal
2.Huiqi Fu#, Jiayi Zhao#, Ziming Ren#, Ke Yang, Chong Wang, Xiaohong Zhang, Ibrahim Eid Elesawi, Xianhua Zhang, Jing Xia, Chunli Chen, Ping Lu, Yongxing Chen, Hong Liu, Guanghui Yu, Bing Liu* (2021). Interfered chromosome pairing at high temperature promotes meiotic instability in autotetraploid Arabidopsis. Plant Physiology
3.Yingjie Ning#, Qingpei Liu#, Chong Wang#, Erdai Qin, Zhihua Wu, Minghui Wang, Ke Yang, Ibrahim Eid Elesawi, Chunli Chen, Hong Liu, Rui Qin, Bing Liu* (2021). Heat stress interferes with formation of double-strand breaks and homolog synapsis. Plant Physiology
4.Xiaoning Lei#, Yingjie Ning#, Ibrahim Eid Elesawi#, Ke Yang, Chunli Chen, Chong Wang*, Bing Liu* (2020). Heat stress interferes with chromosome segregation and cytokinesis during male meiosis in Arabidopsis thaliana. Plant Signaling & Behavior
https://doi.org/10.1111/tpj.16145
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