ATXR5和ATXR6限制拟南芥异染色质内的减数分裂交叉形成

《Journal of Integrative Plant Biology》：ATXR5 and ATXR6 restrict meiotic crossover formation within heterochromatin in Arabidopsis

　　

减数分裂交叉（CO）在间源染色体之间交换遗传信息，从而促进后代间的遗传多样性。CO在染色体上非随机分布，倾向于发生在常染色质中，而很少出现在异染色质中。在植物中，H3赖氨酸27单甲基化（H3K27^me1）对于维持体细胞中异染色质凝聚和基因组稳定性至关重要；然而，其在生殖细胞中的作用仍有待确定。在此，研究人员证明植物特异性H3K27单甲基转移酶ATXR5/6（拟南芥TRITHORAX相关蛋白5/6）在抑制减数分裂异染色质中的CO形成中发挥重要作用。在atxr5 atxr6中，ZMM依赖型I型CO和ZMM非依赖型II型CO均显著增加。研究人员进一步观察到在atxr5 atxr6减数分裂异染色质中发生去凝聚、H3K27^me1信号减少以及非CG甲基化特异性受损。出乎意料的是，与它们在体细胞中的作用（ATXR5/6主要调节异染色质凝聚和基因沉默而不影响DNA甲基化）相反，在减数分裂细胞中，ATXR5/6主要功能是抑制重组和维持异染色质DNA甲基化，而不直接调节基因表达。此外，在缺乏ATXR5/6的情况下，II型CO调节因子MMS和紫外线敏感81（MUS81）的缺失导致减数分裂过程中着丝粒周围片段化以及多孢子体形成，表明MUS81对于解决着丝粒周围异染色质中的非典型重组中间体至关重要。综上所述，研究人员的发现为ATXR5/6通过调节染色体压缩和修饰来抑制异染色质内减数分裂重组的作用提供了见解。

研究背景：减数分裂重组对于世代繁殖、物种多样性和作物遗传育种至关重要。在多数生物中，交叉（CO）分为ZMM依赖型（I型）和非ZMM依赖型（II型），且CO在染色体上非随机分布，主要集中于常染色质热点区域，而异染色质（如着丝粒周围区域）重组活性极低。这种低重组率导致连锁基因难以分离，并积累有害突变，不利于作物育种。因此，探究抑制异染色质重组的调控机制并提高该区域CO频率具有重要应用价值。已知异染色质特征包括DNA甲基化、组蛋白修饰等，其中H3K9me2和H2A.W等已报道参与抑制CO。H3K27^me1在植物异染色质中高度富集，由植物特异性甲基转移酶ATXR5/6催化，在体细胞中调节异染色质组织、转座子（TE）沉默和基因组稳定性，但其在减数分裂中的作用未知。研究人员在《Journal of Integrative Plant Biology》发表论文，旨在揭示ATXR5/6在减数分裂异染色质CO形成中的功能。

研究人员使用拟南芥哥伦比亚生态型（Col-0）的atxr5 atxr6双突变体（atxr6为弱等位基因），结合细胞学观察（DAPI染色、免疫荧光、荧光原位杂交FISH）、遗传分析（构建多突变体）、荧光标记线（FTL）系统测量局部CO频率、减数分裂细胞mRNA-seq和DNA甲基化测序以及生信分析，系统研究了ATXR5/6对减数分裂重组的影响。

研究结果：
- **Deficiency of ATXR5/6 increases meiotic CO frequency**：通过DAPI染色观察终变期和中期I染色体形态，发现atxr5 atxr6中二价体更短更饱满，交叉结（chiasmata）数量显著高于野生型（WT）（13.36 vs 10.81），且互补实验（Act7启动子驱动ATXR5/6 CDS）可恢复表型，表明ATXR5/6抑制减数分裂重组。
- **The extra COs in atxr5 atxr6 comprise both ZMM-dependent and ZMM-independent types**：HEI10免疫荧光标记I型CO，结合msh4（阻断I型CO）的遗传分析显示，atxr5 atxr6中HEI10焦点和chiasmata均增加，且atxr5 atxr6 msh4中仍存在额外CO（chiasmata数高于msh4），说明I型和II型CO均升高。进一步与fancd2-1和mus81-2杂交，统计分析提示FANCD2和MUS81途径均参与II型CO的升高。
- **The distribution of COs in atxr5 atxr6 is altered**：中期I细胞中，atxr5 atxr6出现小比例单价体（4/92），atxr5 atxr6 fancd2-1中单价体比例低于fancd2-1，而atxr5 atxr6 mus81-2中无单价体，表明CO分布和保证机制受损。
- **DSB formation performs no obvious alteration in atxr5 atxr6**：γH2AX免疫荧光定量和RAD51/DMC1免疫染色显示atxr5 atxr6与WT在偶线期的DSB数量无显著差异；atxr5 atxr6 spo11-1出现与spo11-1类似的10个单价体，证明增加的CO仍依赖SPO11-1产生的DSB。
- **The pericentromeric heterochromatin is decondensed with elevated COs in atxr5 atxr6**：H3K27^me1免疫荧光显示atxr5 atxr6中信号减弱；异染色质绘画和着丝粒FISH显示异染色质区域面积增大、着丝粒信号异常伸长（去凝聚）；FTL分析表明着丝粒周围区间（I2e、I4e）遗传距离显著增加（10.74→18.27 cM，16.65→26.78 cM），而常染色质区间变化较小；5mC与HEI10共定位显示atxr5 atxr6中位于异染色质的CO增多。
- **DNA methylation, especially heterochromatic CHG methylation, is compromised in atxr5 atxr6**：5mC免疫荧光显示atxr5 atxr6减数分裂细胞中信号弥散或减少；DNA甲基化测序（来自约2000个减数分裂细胞团）发现CG、CHG和CHH三种序列上下文的甲基化均下降，以异染色质CHG下降最显著；差异甲基化区域（DMR）分析显示CHG低甲基化区域主要集中于异染色质和TE，而CG和CHH DMR分布更广。
- **Deficiency of ATXR5/6 has distinct effects on gene expression between seedlings and meiocytes**：mRNA-seq（来自约300个减数分裂细胞团和21天叶片）发现atxr5 atxr6幼苗中有超过1800个基因和500个TE上调，而减数分裂细胞中仅147个基因和13个TE上调；GO富集分析显示幼苗中DNA修复、复制等途径上调，而减数分裂细胞中为根毛延伸等途径；减数分裂相关基因（如RAD51）在幼苗中上调，在减数分裂细胞中表达无显著变化，表明重组增加并非源于减数分裂基因表达上调。
- **Recombination in heterochromatin of atxr5 atxr6 relies on MUS81**：atxr5 atxr6 mus81-2三突变体表现出严重植株矮小、育性降低（花粉活力从WT的523降至253，每果荚种子数从49降至31）、减数分裂中出现多孢子体；着丝粒FISH显示从终变期到末期II出现大量含着丝粒信号的染色体片段，细胞占比约15%，而atxr5 atxr6和mus81-2单突变体无此严重表型，表明MUS81对解决atxr5 atxr6异染色质中的异常重组中间体至关重要。

讨论总结：ATXR5/6通过催化H3.1K27^me1并可能协同DDM1维持减数分裂异染色质DNA甲基化和凝聚，从而抑制CO形成。在atxr5 atxr6中，H3.1K27^me1缺失导致异染色质去凝聚、非CG甲基化下降，为重组因子提供可接近性，增加CO频率并改变其分布。MUS81作为核酸内切酶，在缺乏ATXR5/6时是解决异染色质中异常重组中间体的关键。研究结论翻译：总之，ATXR5/6的缺失导致CO增加，并伴随减数分裂异染色质中H3K27^me1、DNA甲基化和凝聚的受损。这些非典型CO事件依赖于MUS81来解决重组中间体。综上所述，这些发现强调了ATXR5/6在维持异染色质稳定性以抑制减数分裂重组中的关键作用。