減數分裂時雙股DNA斷裂的調控－本所冀宏源老師研究團隊成果榮登國際期刊PNAS

　　DNA同源重組(Homologous recombination)是生物體賴以維持染色體數目穩定，及增進群體遺傳多樣性的重要機制。在減數分裂時，同源染色體(Homologous chromosomes)必須藉由DNA重組，彼此連結形成聯會(Crossover)，才能使得同源染色體正確地均分到配子中，並增進配子遺傳的多樣性。然而，同源重組機制的起始須要由雙股DNA斷裂(Double-strand break, DSB)來啟動，我們實驗室長期研究減數分裂時，如何計劃性產生雙股DNA斷裂之分子機制。根據遺傳實驗的觀察，科學家猜測類拓樸異構酵素SPO11能催化雙股DNA的斷裂，並啟始同源重組反應的進行。此外，SPO11蛋白在真核生物各物種間都具有高度保留性，顯示SPO11對雙股DNA斷裂以及對同源重組反應之起始的重要性。然而至今20餘年，SPO11蛋白是否具有DNA切割的能力，仍無法被證明。

　　我們實驗室在2017年首次純化出高純度的線蟲(C. elegans) SPO-11蛋白，並以生化分析闡明了SPO-11蛋白雖與雙股DNA結合有較高的親合力，但無法造成雙股DNA的斷裂 (Scientific Reports, 2017)。這結果也突顯出需要其他蛋白來協同SPO-11來剪切雙股DNA。大約在同一個時候，法國團隊Dr. Grelon等人發表在SCIENCE的研究，找到了阿拉伯芥(Arabidopsis) SPO11的相互作用蛋白MTOPVIB，其結構（而非序列）與古細菌的拓樸異構酵素VI之B次單元體有高度同源性，並證實MTOPVIB對於SPO11所造成的DNA雙股斷裂具有重要的功能。然而，儘管在各物種間SPO11具有高度保留性，與SPO11相互作用以促進雙股DNA斷裂的輔助蛋白的保守性卻很差。因此，我們實驗室進行大規模Yeast two-hybrid 篩選，來搜尋線蟲蛋白中，可能會與SPO-11蛋白相互作用的輔助蛋白，並成功鑑定出DSB-1蛋白(DSB-promoting protein-1)與SPO-11的相互作用關係。同時，Dr. Anne Villeneuve (Stanford University, USA)也透過遺傳分析，鑑定出DSB-3蛋白對雙股DNA斷裂形成的重要性。我們結合了台灣和美國兩個研究團隊的合作，進一步闡明了DSB-1、DSB-2、及DSB-3會形成複合體（如圖所示），並在減數分裂時期聚集到細胞核，再藉由DSB-1與SPO-11蛋白的相互作用，來協助SPO-11所主導雙股DNA斷裂的產生。我們的研究成果，也突顯出在演化過程中，這些功能保留的輔助蛋白複合體，如何調控雙股DNA斷裂，以確保生物的生殖系統能正常運作，這項合作研究成果也於今年八月刊登在PNAS (PNAS, 2021)。