減數(shù)分裂是有性生殖生物中必不可少的，染色體數(shù)目減半的，特殊的細(xì)胞分裂過程。而重組是減數(shù)分裂過程中關(guān)鍵步驟，對(duì)確保同源染色體正確分離和遺傳多樣性都有重要意義。大多數(shù)哺乳動(dòng)物中減數(shù)分裂重組的發(fā)生，首先由PRDM9識(shí)別其特異結(jié)合序列【1】，對(duì)序列附近核小體進(jìn)行H3K4/36me3修飾，從而招募SPO11產(chǎn)生DNA雙鏈斷裂 （double strand breaks, DSBs）【2】。隨后，MRE11在DNA上產(chǎn)生缺口使得核酸酶可以進(jìn)入，對(duì)5’-3’和3’-5’方向進(jìn)行切割【3】，產(chǎn)生單鏈DNA (single strand DNA, ssDNA) 區(qū)域，結(jié)合重組酶DMC1/RAD51，使其侵入同源染色體起始重組。目前的研究手段，只能通過間接檢測(cè)MRE11切割后釋放的SPO11-oligo【4】或重組酶DMC1【5】來定位DSBs和研究該過程，且這兩種技術(shù)都存在一定的局限性。

2020年2月12日，美國(guó)癌癥研究中心的André Nussenzweig課題組（共同第一作者為博士生Jacob Paiano和博后吳薇博士）在Nature Communications上發(fā)表了一篇題為ATM and PRDM9 regulate SPO11-bound recombination intermediates during meiosis 的文章，通過應(yīng)用該課題組成熟的DSB檢測(cè)技術(shù)END-seq【6】對(duì)12天至14天的幼年小鼠睪丸細(xì)胞進(jìn)行檢測(cè)。第一次直接給出了減數(shù)分裂過程中的DSB圖譜，并對(duì)其加工和修復(fù)機(jī)制進(jìn)行研究。他們發(fā)現(xiàn)每個(gè)DSB熱點(diǎn)都呈現(xiàn)非常一致的信號(hào)結(jié)構(gòu)（圖1），主要由一個(gè)與SPO11定位一致的中間信號(hào)（綠色），兩側(cè)呈一定分布的遠(yuǎn)端信號(hào)（紅色）組成。他們認(rèn)為中間信號(hào)為SPO11結(jié)合的DNA，而兩側(cè)的信號(hào)分布呈現(xiàn)的為在一群細(xì)胞中的DNA末端切割的分布情況。且END-seq對(duì)細(xì)胞量要求低（一只小鼠的睪丸細(xì)胞），精確度高，信噪比好。

之前在酵母中的研究發(fā)現(xiàn)，5’-3’ 的切割主要由EXO1完成【7】，但在Exo1^-/-小鼠的END-seq結(jié)果顯示其在小鼠中只有較微弱的影響。此外，他們發(fā)現(xiàn)在Dmc1^-/-和Atm^-/-等重組酶RAD51/DMC1不足的情況下，會(huì)對(duì)5’-3’ 的切割產(chǎn)生負(fù)向調(diào)節(jié)。并且，ATM還參與調(diào)控DSB的產(chǎn)生強(qiáng)度和MRE11功能，進(jìn)而調(diào)節(jié)切割過程（圖2）。

接下來，他們對(duì)中間信號(hào)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其并不是簡(jiǎn)單的未被MRE11加工釋放的SPO11結(jié)合的DNA， 而是依賴于PRDM9結(jié)合的SPO11-cap的重組中間體 (SPO11-bound recombination intermediate, SPO11-RI)。Atm^-/-小鼠中，因MRE11功能受到影響, 其中間信號(hào)主要為未被釋放的SPO11結(jié)合的DNA (unresected SPO11 cleavage complexes, SPO11cc) （圖3）。

總之，本文不但為減數(shù)分裂領(lǐng)域研究提供了一個(gè)新的檢測(cè)技術(shù)，并對(duì)PRDM9和ATM在DSBs的加工過程中起到的功能給出了新的見解和進(jìn)一步闡釋。

1. Paigen, Kenneth, and Petko M. Petkov. “PRDM9 and its role in genetic recombination.” Trends in Genetics 34.4 (2018): 291-300.

2. Keeney, Scott, et al. double- strand breaks are catalyzed by Spo11, a member of a widely conserved protein family. Cell 88, 375–384 (1997).

3. Garcia, Valerie, et al. “Bidirectional resection of DNA double-strand breaks by Mre11 and Exo1.” Nature 479.7372 (2011): 241-244.

4. Lange, Julian, et al. “The landscape of mouse meiotic double-strand break formation, processing, and repair.” Cell 167.3 (2016): 695-708.

5. Brick, Kevin, et al. “Genetic recombination is directed away from functional genomic elements in mice.” Nature 485.7400 (2012): 642-645.

6. Canela, Andres, et al. “DNA breaks and end resection measured genome-wide by end sequencing.” Molecular cell 63.5 (2016): 898-911.

7. Mimitou, Eleni P., Shintaro Yamada, and Scott Keeney. “A global view of meiotic double-strand break end resection.” Science 355.6320 (2017): 40-45.