Mouse MRE11 - RAD50 - NBS1 复合物在减数分裂 DNA 末端切除中的关键作用研究

在减数分裂中，DNA 双链断裂（DSB）后的切除机制尚不清楚，尤其是在哺乳动物中。研究人员通过对携带 MRN 突变的小鼠精子发生过程进行全基因组分析，发现 MRN 对切除起始和延伸至关重要，且切除缺陷影响减数分裂，该研究为理解哺乳动物减数分裂提供重要依据。

　　在生物的遗传信息传递过程中，减数分裂起着至关重要的作用。其中，DNA 双链断裂（DSB）后的末端切除是同源重组的关键步骤，然而目前对于这一过程的机制，尤其是在哺乳动物减数分裂中的机制，了解还十分有限。比如，在模式生物酿酒酵母中，减数分裂切除已有较为详细的两步模型，但在哺乳动物中情况却复杂得多。在哺乳动物减数分裂中，虽然已知 DSB 处理会产生长 3’ - 末端单链 DNA（ssDNA）并释放共价的 SPO11 - 寡核苷酸（oligo）复合物，但 EXO1 在切除中的作用以及 MRN 复合物对切除的具体贡献都不明确，而且切除长度与减数分裂重组成功执行及生育能力之间的关系也有待揭示 。为了解开这些谜团，来自 Memorial Sloan Kettering Cancer Center 等机构的研究人员展开了深入研究。他们通过对小鼠精子发生过程中减数分裂 DSB 切除进行全基因组分析，发现 MRN 复合物不仅对切除起始至关重要，还对切除片段的延伸起着关键作用，并且揭示了切除缺陷如何影响重组因子与 ssDNA 的结合以及减数分裂的正常进行。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为深入理解哺乳动物减数分裂的分子机制提供了重要依据。
研究人员开展此项研究时，主要运用了以下几种关键技术方法：首先是基因编辑技术，通过构建多种携带不同 MRN 突变的小鼠模型，包括条件性敲除 Mre11（Mre11^cKO）、Mre11 的核酸酶失活突变（Mre11^cHN）以及模拟人类疾病的 MRN 亚型突变等；其次是测序技术，如 S1 - 测序（S1 - seq）和 Exo7/T - 测序（Exo7/T - seq），用于可视化切除端点和分析基因组范围内的切除模式；还有染色质免疫沉淀测序（ChIP - seq），用以检测 MRE11 在热点区域的积累情况；此外，通过精子计数、精子细胞染色体铺展和免疫染色等实验方法，评估精子发生和减数分裂的进程。
研究结果如下：

• MRE11 对切除起始的必要性：利用条件性敲除策略构建 Mre11^cKO小鼠模型，通过 S1 - seq 和 Exo7/T - seq 技术发现，Mre11^cKO小鼠中 DSB 几乎未被切除，信号主要聚集在热点中心，表明 MRE11 是切除起始所必需的。同时，Mre11^cKO小鼠中 DSB 数量增加，出现双切现象，且精子发生严重受损，睾丸变小，精子数量大幅减少。
• MRE11 对 DSB 数量的调控及双切现象：Mre11^cKO小鼠热点区域的测序读数增加，通过实验证实这是由于 DSB 数量增多，且存在双切现象。如通过对 SPO11 - oligo 复合物的分析发现，Mre11^cKO小鼠中其数量大幅增加，且大小和电泳迁移率发生改变，主要来源于双切。
• 核酸酶失活的 MRE11 对切除长度的影响：构建 Mre11^cHN小鼠模型，发现部分 DSB 未被切除，且切除片段显著短于正常水平，表明 MRE11 核酸酶活性不仅参与切除起始，还对切除片段的延伸有重要作用。同时，Mre11^cHN小鼠精子发生也存在缺陷，睾丸变小，精子细胞凋亡增加。
• MRN 亚型突变对切除长度的影响：研究携带模拟人类疾病的 MRN 亚型突变小鼠，如 Mre11^ATLD1、Nbs1^ΔB、Rad50^D69Y和 Rad50^L1237F等，发现这些突变均导致切除长度缩短，证实 MRN 复合物功能完整对维持正常切除长度至关重要。
• Nbs1^ΔB突变对蛋白结合和空间组织的影响：对 Nbs1^ΔB小鼠进行研究，通过 ChIP - SSDS 和结构化照明显微镜（SIM）技术发现，虽然切除长度缩短，但 DSB 修复焦点中 DMC1 和 RAD51 的空间组织仍得以维持。
• EXO1 和 NBS1 N 端对切除长度的协同作用：构建 Nbs1^ΔB和 Exo1 双突变小鼠，发现两者对切除长度的影响是相加的，表明 EXO1 和 MRN 在减数分裂切除中协同作用，且 Nbs1^ΔB的切除缺陷并非由 EXO1 活性缺陷导致。
  研究结论和讨论部分指出，与酵母相比，小鼠在减数分裂 DSB 切除过程中对 EXO1 的依赖较少，而 MRN 复合物起着更为关键的作用。MRN 不仅启动切除，还决定了大部分切除片段的长度。虽然 ATM 信号通路可能与切除缺陷有关，但 Mre11^cHN小鼠正常的 ATM 活性表明，MRN 活性本身对切除更为重要。MRN 促进切除延伸的机制可能是通过直接切除 DNA 或招募 / 激活其他核酸酶。此外，研究还揭示了减数分裂进程中，一定程度的切除对于重组、染色体配对和分离是必要的，但具体所需的最小切除长度仍有待进一步研究。该研究首次在哺乳动物中明确了 MRN 在减数分裂 DSB 切除中的关键作用，为理解哺乳动物减数分裂的分子机制提供了新的视角，也为相关疾病的研究和治疗提供了重要的理论基础。