近日，華中農業大學植物科學技術學院、作物遺傳改良全國重點實驗室和國家油菜工程技術研究中心楊超教授課題組在The Plant Cell發表題為The HORMA-domain protein ASY1 recruits the plant-specific cyclin SDS to promote DMC1-mediated meiotic recombination的研究論文，在植物減數分裂研究領域取得重要突破。研究團隊以甘藍型油菜和擬南芥為模式，發現染色體軸核心蛋白ASY1通過招募植物特有周期蛋白SDS，將減數分裂核心重組酶DMC1精準定位到染色體上，從而促進同源染色體間重組和交換。該研究深化了人們對染色體重組調控的認識，為同源重組偏好形成的分子機制提供了關鍵答案。

染色體重組是真核生物遺傳變異的核心來源，既是物種遺傳多樣性演化的基礎，也是作物育種中連鎖累贅消除和優良性狀聚合的關鍵前提。在減數分裂過程中，同源染色體之間必須發生精確的配對、聯會和重組，才能保證遺傳信息正確傳遞。然而，一個關鍵科學問題尚不清楚：作為減數分裂“骨架”的染色體軸（圖1），究竟如何調控重組酶在染色體上的精準裝載，從而驅動遺傳重組發生？

圖1：同源染色體配對、聯會和重組關鍵蛋白和結構模式圖。

染色體軸是減數分裂早期在姐妹染色體上形成的一個重要蛋白結構，由多個不同的蛋白質或蛋白質復合體組裝而來，在同源染色體配對、聯會和重組中發揮重要作用（圖1）。ASY1是染色體軸核心組分之一，對調控重組形成和分布具有關鍵作用。先前研究表明，ASY1是核心重組酶DMC1在染色體上精準定位的必要條件，但其具體調控機制尚不明確。

研究團隊通過活細胞成像、超分辨顯微成像、遺傳學和生化分析等技術手段，揭示了染色體軸蛋白ASY1調控染色體重組的核心分子機制：ASY1 并不直接作用于 DMC1，而是通過直接結合并招募植物特有周期蛋白 SDS 定位至染色體，保障重組酶 DMC1 在染色體上的正常裝載，最終介導同源染色體間的精準重組與交叉互換。主要結果如下：

在甘藍型油菜和擬南芥性母細胞中的蛋白定位顯示，周期蛋白SDS在減數分裂早期（細線期和偶線期）特異表達，在染色體上形成密集的焦點信號，超分辨觀察顯示SDS主要定位于染色體軸周邊的染色質環結構，當同源染色體完全聯會后（粗線期）被迅速降解。這與核心重組酶DMC1的時空表達和定位動態上高度同步（圖2）。SDS缺失會引起DMC1在染色體上裝載失敗。

圖2：周期蛋白SDS與重組酶DMC1在減數分裂早期的時空表達和定位動態。

作者考察了SDS在染色體配對和重組等關鍵基因突變體中的定位，發現其染色體定位完全不依賴于DNA雙鏈斷裂、同源入侵、配對等核心重組關聯事件，也不依賴于聯會復合體的組裝和染色體軸骨架核心蛋白REC 8 。然而，SDS的染色體定位特異地依賴軸蛋白ASY1（圖 3 ）。進一步發現ASY 1 在粗線期從聯會的染色體上移除與SDS的移除緊密關聯，ASY 1 的移除缺陷會造成SDS和DMC 1 在染色體上的持續定位。

圖3：周期蛋白SDS定位特異依賴于染色體軸蛋白ASY1。

進一步研究表明，ASY1能夠直接結合SDS（圖4），缺失ASY1后，SDS無法有效募集到染色體上，導致DMC1裝載受阻（圖3），同源染色體重組過程發生嚴重缺陷。

圖4：SDS與ASY1互作。

值得注意的是，本研究還揭示了基于ASY1蛋白構象的全新調控功能。研究發現，ASY1自身存在的C端構象調節閉合基序雖然并不影響ASY1自身定位到染色體軸，卻是招募SDS和促進DMC1裝載所必需的關鍵結構元件（圖5）。這表明，減數分裂染色體軸不僅提供結構支架，更通過特定構象狀態主動調控重組酶的裝載。這一基于蛋白構象的調控方式解耦了ASY1的結構支撐與重組調控功能，細化了染色體軸的功能調控模型。

圖5：ASY1閉合基序介導構象變化影響SDS和DMC1招募。

重組的精準發生，依賴DMC1正負調控因子的動態平衡。該研究進一步解析了DMC1裝載正負調控因子之間的層級關系。此前研究已知FIGL1-FLIP復合物是抑制DMC1定位的核心負調控因子，且該復合物缺失可恢復sds突變體中DMC1定位缺陷。然而，本研究發現，當ASY1功能缺失時，即使突變負調控因子FIGL1-FLIP，也無法恢復DMC1的染色體定位缺陷（圖6）。這一結果表明，ASY1位于DMC1調控網絡的更上游，是協調DMC1正調控因子SDS和負調控因子FIGL1-FLIP的核心樞紐。

圖6：ASY1位于FIGL1-FLIP負調控通路的上游。

綜上，該研究揭示了染色體軸蛋白如何直接連接染色體結構與重組酶裝載過程，闡明了減數分裂中同源重組偏好形成的關鍵分子調控基礎。本研究不僅深化了人們對減數分裂遺傳重組機制的認識，也為未來通過精準調控重組頻率和交換分布、突破作物育種中的遺傳重組限制提供了新的理論依據和潛在分子靶標。

華中農業大學植物科學技術學院博士后蔡博偉為論文的第一作者，華中農業大學植物科學技術學院、作物遺傳改良全國重點實驗室和國家油菜工程技術研究中心楊超教授為論文的通訊作者。該研究得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金等項目資助。

據悉，楊超課題組長期從事植物減數分裂調控和染色體重組操縱技術開發，近五年以通訊單位在Nature Plants、Science Advances、Advanced Science、ThePlant Cell (3篇)、Nucleic Acids Research等發表多篇研究論文。課題組主要以甘藍型油菜為模式，致力于理解多倍體植物減數分裂中染色體互作規律和調控機制，揭示多倍體減數分裂穩定適應的演化機制，構建多倍體作物無融合生殖體系，開發染色體重組調節技術，推動重組操縱作為育種底盤技術應用于作物種質創新和品種培育。

論文鏈接:

https://doi.org/10.1093/plcell/koag176