減數(shù)分裂是生命體有性生殖的基礎，為保證物種繁衍、染色體數(shù)目恒定和物種適應環(huán)境變化而不斷演化的基本前提。在減數(shù)第一次分裂前期，同源染色體的非姐妹染色單體之間發(fā)生同源重組，即來自親本雙方的 DNA 鏈進行交叉互換，形成重組 DNA 序列，從而增加遺傳多樣性，促進了子代的適應性，這也是生物演化的驅(qū)動力之一；此外，同源重組還在同源染色體之間建立了物理連接，確保它們的正確分離，以維持物種染色體數(shù)目的穩(wěn)定。因此，同源重組是減數(shù)分裂過程中最為關鍵的生物學事件。
減數(shù)分裂同源重組始于程序性 DNA 雙鏈斷裂（Double-Strand Break，DSB）；這些 DSB 隨后以同源染色體為模板進行修復，最終生成交叉或非交叉。雖然參與減數(shù)分裂同源重組的關鍵分子已基本明確，但這些分子的大多數(shù)生化特征尚未充分闡明。例如，Spo11 早在 1997 年就被發(fā)現(xiàn)為催化 DSB 形成的關鍵蛋白，但關于 Spo11 的生化特征仍知之甚少。尤其是，過去近 30 年來，全球多個實驗室一直致力于在體外重構(gòu)減數(shù)分裂 DSB 形成，試圖首先捧起這一被視為減數(shù)分裂研究的“圣杯”。
中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心（原上海生物化學與細胞生物學研究所）童明漢團隊長期聚焦于哺乳動物減數(shù)分裂啟動研究。基于前期的研究積累，該團隊對DSB形成復合物開展了系統(tǒng)研究。
2025 年 2 月 19 日，中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心童明漢團隊與上海交通大學醫(yī)學院附屬新華醫(yī)院黃旲團隊合作（湯辛哲、胡澤濤為共同第一作者），在 Nature 期刊發(fā)表了題為：In vitro reconstitution of meiotic DNA double-strand break formation 的研究論文。
該研究基于體外表達純化的小鼠 SPO11-TOP6BL 復合體，成功實現(xiàn)了減數(shù)分裂 DSB 形成的體外重構(gòu)，困擾領域近 30 年的難題迎刃而解。
值得一提的是，美國紀念斯隆-凱特琳癌癥中心 Scott Keeney 團隊、比利時法語魯汶大學的 Corentin Claeys Bouuaert 團隊同期分別在 Nature 期刊發(fā)表了題為：Reconstitution of SPO11-dependent double-strand break formation 和 SPO11 dimers are sufficient to catalyse DNA double-strand breaks in vitro 的研究論文。
Spo11 屬于拓撲異構(gòu)酶VI（Top6）家族，由兩個催化亞基（Top6A）和兩個調(diào)控亞基（Top6B）組成異源四聚體，其活性依賴于 Top6A 和 Top6B 的協(xié)同作用。SPO11 為 Top6A 的同源物；而 TOP6BL 作為 Top6B 的哺乳動物同源物，直到 2016 年才被發(fā)現(xiàn)，并已知其為減數(shù)分裂 DSB 形成所必需。
為了在體外探究減數(shù)分裂 DSB 形成機制，童明漢課題組利用體外蛋白表達純化系統(tǒng)成功獲得了 SPO11-TOP6BL 復合體，并首次在體外重現(xiàn)其切割 DNA 雙鏈的活性。之后，與新華醫(yī)院黃旲團隊合作，采用凝膠過濾層析、交聯(lián)質(zhì)譜、Pull Down 等方法，系統(tǒng)地研究了 SPO11-TOP6BL 復合體的生化特征；證實該復合體在溶液中主要以異源二聚體形式存在，只有極少部分能形成異源四聚體，這與其在古細菌中的同源物拓撲異構(gòu)酶 VI 不同。
接著進一步證明在復合體切割 DNA 后，SPO11 共價結(jié)合于切割產(chǎn)物的 5' 末端，與體內(nèi)檢測到的 SPO11 活性表現(xiàn)一致。于此，困擾領域近 30 年的體外重構(gòu)減數(shù)分裂 DSB 形成難題迎刃而解。
此外，該研究還發(fā)現(xiàn)，SPO11-TOP6BL 復合體切割 DNA 活性依賴于 Mg2+/Mn2+，但不依賴于 ATP，不同于拓撲異構(gòu)酶 VI 活性依賴 ATP/Mg2+ 的特征。更進一步，點突變 SPO11 的 Mg2+ 結(jié)合殘基導致 SPO11-TOP6BL 復合體 DNA 雙鏈切割活性顯著降低；相應的一個 Mg2+ 結(jié)合殘基點突變小鼠表現(xiàn)為減數(shù)分裂障礙，無 DSB 形成，其表型與 Spo11 完全敲除小鼠一致。
綜上所述，該研究成功實現(xiàn)了體外重構(gòu)減數(shù)分裂 DSB 形成，揭示了 SPO11-TOP6BL 復合體演化特征，為解析減數(shù)分裂同源重組的起始提供了直接證據(jù)；為進一步闡明減數(shù)分裂同源重組分子機制提供了堅實的分子平臺。
Nature 同期發(fā)表了來自加州大學圣地亞哥分校 Kevin D. Corbett 教授的題為：Enzyme used in meiosis makes the cut in vitro 的評論文章，該文章指出，這三項研究成功地通過純化的 SPO11 蛋白實現(xiàn)了體外重建 DNA 切割，開啟了該領域的研究新時代。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08551-1
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08601-2
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08574-8
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