摘要：来自中国科学院分子细胞科学卓越创新中心童明汉研究员与上海交通大学医学院附属新华医院黄旲教授的合作团队，美国纪念斯隆-凯特琳癌症中心（Memorial Sloan Kettering Cancer Center）的Scott Keeney教授团队，以及比利时天主
学术经纬 学术经纬
2025年02月20日 08:32上海
今日，顶尖学术期刊《自然》同时上线3篇研究论文，宣告分子生物学领域内一个被誉为“圣杯”的难题终于破解。
来自中国科学院分子细胞科学卓越创新中心童明汉研究员与上海交通大学医学院附属新华医院黄旲教授的合作团队，美国纪念斯隆-凯特琳癌症中心（Memorial Sloan Kettering Cancer Center）的Scott Keeney教授团队，以及比利时天主教鲁汶大学（Université Catholique de Louvain）的Claeys Bouuaert博士团队，成功实现了在体外重构细胞减数分裂的关键事件——DNA双链断裂形成的过程。《自然》刊发的评论文章称，这三项研究“开启了这一领域研究的新时代”。
▲《自然》发表的专家评论称，这三篇论文代表了领域内的“重大突破”（图片来源：参考资料[4]）
减数分裂（meiosis）是存在于有性生殖生物中的特殊细胞分裂方式，是有性生殖的基础。在这一过程中，DNA复制一次，细胞分裂两次，包括减数分裂Ⅰ(Meiosis I, MI)和减数分裂Ⅱ(MII)，从而产生单倍体配子或生殖细胞。发生于MI前期的同源重组使来自亲本双方的遗传物质发生交换，增加了物种遗传的多样性，是生物演化的基础；同时，同源重组还能在同源染色体之间建立物理连接，确保了它们的精确分离，以维持染色体数量的恒定。因此，减数分裂同源重组是减数分裂过程中最重要的生物学事件。
减数分裂同源重组由程序性的DNA双链断裂（double-strand break，简称DSB）触发。早在1997年，科学家们发现Spo11是催化酵母减数分裂DSB形成的关键蛋白，并揭示这种酶在基因组特定区域（被称为“热点区域”）切割DNA双链后，会共价结合在DNA的5'末端。此后，研究者发现，在有性生殖的物种中，细胞减数分裂普遍需要SPO11蛋白。
图片来源：123RF
尽管SPO11被发现近30年，然而如何在体外表达获得有活性的SPO11，如何在体外重构减数分裂DSB形成过程，长期以来一直悬而未决，被誉为减数分裂同源重组研究领域的“圣杯”。在此次背靠背上线的三篇论文中，三支研究团队攻克了这一长期悬而未决的难题，通过体外生化实验的手段来研究SPO11的DNA切割功能，让人们对减数分裂DSB形成有了更全面的理解。
童明汉团队长期聚焦于哺乳动物减数分裂启动研究，在与黄旲教授合作发表的这篇论文中，研究小组基于体外表达纯化的小鼠SPO11-TOP6BL复合体，实现了减数分裂DSB形成的体外重构。
先前的研究指出，SPO11属于II B型拓扑异构酶家族中拓扑异构酶VI（Top6）家族。Top6最早在古细菌中发现，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。其中，SPO11为Top6A的同源物，TOP6BL是Top6B的哺乳动物同源物。
这项工作系统研究了小鼠SPO11-TOP6BL复合体的生化特征，证实该复合体在溶液中主要以异源二聚体形式存在，只有极少部分能形成异源四聚体，这与古细菌中的同源物拓扑异构酶VI不同。研究者进一步证明，复合体在切割DNA后，SPO11共价结合于切割产物的5’末端，与体内检测到的SPO11活性表现一致。
▲SPO11-TOP6BL切割DNA后共价连接在DNA的5'端（图片来源：研究团队提供）
此外，该研究还通过点突变和基因工程小鼠实验发现，SPO11-TOP6BL复合体切割DNA活性依赖于Mg2+/Mn2+，但不依赖于ATP，与拓扑异构酶VI依赖ATP/Mg2+的特征不同。
第二篇论文中，研究团队通过体外重构DNA切割实验以及AlphaFold 3的结构建模探讨了SPO11的二聚化对于其切割活性的效率有何影响。
作者指出，SPO11-TOP6BL复合物在溶液中是1:1的单体，能与DNA紧密结合，只有在二聚化（2:2）后形成活性位点才具备DNA切割的活性。而这种特性一方面导致了SPO11对切割位点的选择偏好（在有利于二聚体组装的DNA底物上，切割效果提高），另一方面也为调控SPO11的活性提供了思路。
第三篇论文同样强调了SPO11二聚化对于其控制DSB形成的重要性。研究者从昆虫细胞中纯化出小鼠的SPO11，并通过生化实验评估了在没有内源搭档蛋白（如TOP6BL）时SPO11本身的切割活性。相比之下，与TOP6BL形成复合物的SPO11能够以更高的亲和性结合在DNA末端。
论文作者还提出了一种生物分子凝聚体模型，指出在体内需要额外的辅助蛋白来组装凝聚体，为SPO11与TOP6BL形成复合物并促进二聚化提供场所。
▲减数分裂时，SPO11-TOP6BL复合体在凝聚体中组装二聚化，调控SPO11切割DNA的活性和切割位置（图片来源：参考资料[4]）
因此，综合这三篇新上线的论文，不仅困扰领域近30年的体外重构减数分裂DSB形成的难题迎刃而解，也为下一步解析减数分裂同源重组机制的后续步骤提供了实验平台和理论基础。
正如《自然》评论文章中作者所言，这三篇论文代表了SPO11在减数分裂领域中的“重大突破”，为未来的大量研究奠定基础，将极大促进我们对减数分裂分子基础的理解。
参考资料：
[1] Xinzhe Tang et al., In vitro reconstitution of meiotic DNA double-strand-break formation. Nature (2025) Doi: https://doi.org/10.1038/s41586-024-08551-1
[2] Zhi Zheng et al., Reconstitution of SPO11-dependent double-strand break formation. Nature (2025) Doi: https://doi.org/10.1038/s41586-025-08601-2
[3] Cédric Oger et al., SPO11 dimers are sufficient to catalyse DNA double-strand breaks in vitro. Nature (2025) Doi: https://doi.org/10.1038/s41586-024-08574-8
[4] Francisco Mendez Diaz & Kevin D. Corbett Enzyme used in meiosis makes the cut invitro. Nature (2025) Doi: https://doi.org/10.1038/d41586-025-00305-x
来源：永不落的红黑心
