2月19日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心童明汉课题组联合上海交通大学医学院附属新华医院黄旲团队，在《自然》（Nature）上在线发表了题为“In vitro reconstitution of meiotic DNA double-strand break formation”的研究成果。该研究基于体外表达和纯化的小鼠SPO11-TOP6BL复合体，成功实现了减数分裂DSB形成的体外重构。

减数分裂是存在于有性生殖生物中的特殊细胞分裂方式，也是有性生殖的基础。同源重组是减数分裂中最重要的生物学事件之一。同源重组使亲本双方的遗传物质发生交换，增加了物种遗传的多样性，并能够使同源染色体之间建立物理连接，以确保它们精确分离，维持染色体数量恒定。同源重组起始于程序性DSB形成。1997年，有研究发现，Spo11是催化酵母减数分裂DSB形成的关键蛋白，并揭示其在切割DNA双链后会共价结合在DNA的5'末端。然而，如何在体外表达获得有活性的Spo11以及如何在体外重构减数分裂DSB形成过程尚不清楚。

Spo11是高度保守的蛋白，属于II B型拓扑异构酶家族中拓扑异构酶VI（Top6）家族。Top6由两个催化亚基（Top6A）和两个调控亚基（Top6B）构成异源四聚体，其活性依赖于Top6A和Top6B的协同作用。SPO11是Top6A的同源物，而TOP6BL作为Top6B的哺乳动物同源物，直到2016年才被发现，并被证明也是减数分裂DSB形成所必需。

为解决体外重构减数分裂DSB形成这一难题，童明汉课题组利用体外蛋白表达纯化系统获得SPO11-TOP6BL复合体，并首次在体外重现其切割DNA双链的活性。随后，童明汉课题组与黄旲团队合作，采用凝胶过滤层析、交联质谱、Pull Down等方法，探讨了SPO11-TOP6BL复合体的生化特征，并证实该复合体在溶液中主要以异源二聚体形式存在，且只有极少部分能够形成异源四聚体。

进一步，研究证明，在切割DNA后，SPO11共价结合于切割产物的5'末端。于此，困扰该领域近30年的体外重构减数分裂DSB形成难题得以解决。

SPO11-TOP6BL切割DNA后共价连接在DNA的5'端

综上所述，该研究成功实现了体外重构减数分裂DSB形成，揭示了SPO11-TOP6BL复合体演化特征，为解析减数分裂同源重组的起始提供了直接证据；为进一步阐明减数分裂同源重组分子机制提供了坚实的分子平台。

值得一提的是，美国纪念斯隆-凯特琳癌症中心Scott Keeney团队、比利时法语鲁汶大学的Corentin Claeys Bouuaert团队在Nature上发表了背靠背文章“Reconstitution of SPO11-dependent double-strand break formation”、“SPO11 dimers are sufficient to catalyse DNA double-strand breaks in vitro”。Nature同期为三篇文章配发了由加利福尼亚大学圣迭戈分校的Francisco Mendez Diaz博士和Kevin D. Corbett教授共同撰写的题为“Enzyme used in meiosis makes the cut in vitro”评述，指出这三项研究代表了减数分裂同源重组领域的"a big break"，开启了该领域的“a new era of research”。 

国家蛋白质科学研究（上海）设施利用交联质谱分析技术为探究 SPO11-TOP6BL复合物的结构与相互作用提供了重要支持。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08551-1