BnMs5调控油菜减数分裂早期染色体行为及其复等位遗传的分子机制

Our previous study revealed that the meiotic cells of a genetic male and female sterility line FM195A were developmentally arrested in the stage between leptotene and zygotene, and the fertility transition is controlled by one multiallelic locus BnMs5. Through a map-based cloning strategy, we have successfully confirmed the BnMs5 gene and isolated its three alleles. BnMs5 encodes a novel nuclear-localized and Brassica genus-specific protein. In this study, we would establish the cytological relationship between BnMs5 and some landmark proteins during meiotic prophase I through immunolocalization experiment, and determine the meiotic chromosomal behavior and process mediated by BnMs5. In combination with the molecular characterization of BnMs5 and identification of BnMs5-interacting proteins, we would uncover the possible mechanism of how BnMs5 regulates the early meiotic events. Finally, we would combine the results from sequence divergence of different alleles, expressional difference of BnMs5 at the mRNA and protein level and genetic transformation of alleles in different backgrounds, to reveal the molecular mechanism of complete dominance/recessiveness relationship between different BnMs5 alleles. The potential research results would enrich our understanding on the molecular control of the early meiotic process and broaden our theory on the genetic basis of the multiallelic hereditary mode; moreover, these findings would also play an important role in the utilization of BnMs5 in hybrid production.

项目组前期研究发现，油菜雌雄不育突变体FM195A的配子败育是由减数分裂细线期到偶线期的转换异常所致，受复等位基因座BnMs5调控。采用图位克隆策略，项目组已经成功分离BnMs5的三个复等位基因，发现其编码一个芸薹属特异的定位于细胞核的功能未知蛋白。在此基础上，本研究拟通过免疫荧光分析，探寻BnMs5与减数分裂前期I标志蛋白之间的细胞学关系及其调控的早期染色体行为；结合基因功能鉴定和互作蛋白的筛选，逐步揭示BnMs5调控减数分裂早期事件的分子机制；建立BnMs5等位基因序列变异、表达差异与等位基因功能分化的关系，从而揭示BnMs5三个复等位基因间完全显隐性关系的遗传机制。本项目的研究结果将丰富对植物减数分裂早期染色体行为分子调控的理解，拓宽对复等位遗传机制的认识，并为更好的利用该基因于杂种生产提供理论指导。

芸薹属特异基因MS5调控甘蓝型油菜减数分裂进程，其复等位遗传模式使它能够用于创建雄性不育三系系统，进行杂交种油菜制种。本项目中，我们对MS5复等位遗传的分子机制以及其参与的减数分裂调控路径开展了研究。通过CRISPR/Cas9基因编辑，证明了恢复基因MS5a和临保基因MS5c都是油菜育性维持所必需的。MS5a和MS5c基因功能分化的主要原因是编码区序列的差异，其次为启动子区的不同造成的表达量差异。雄性不育基因MS5b编码一个嵌合蛋白，包含完整的coiled coil（CC）结构域，但缺失了整个MS5 superfamily domain （MSD）。MS5a和MS5c蛋白可以通过CC结构域形成同源二聚体，MS5b则能通过残留的CC结构域与MS5蛋白竞争性结合，形成无功能的异源二聚体。由于MS5b和MS5c表达量几乎相同，在MS5bMS5c杂合株中，无功能的异源二聚体占优势，从而使得油菜减数分裂异常，遗传上表现为MS5b对MS5c的显性负效应。而在MS5aMS5b杂合单株中，由于MS5a的高表达，大剂量MS5a的积累保证了减数分裂的正常进行。除此之外，我们还检测到MS5可以通过CC结构域与MRN复合体成员MRE11和NBS1互作，MS5可能通过与它们直接互作促进MRN复合体的解聚及降解，进而精确调控减数分裂的正常进行。. 通过结构生物学方法，我们解析了MS5中MSD区段的晶体结构。结果显示MSD呈现一种典型的类-cystatin结构，包括一个α螺旋围绕着4或5个反向平行的β折叠。但是，由于MSD对papain的变构激活，使得其能促进而不是抑制papain的蛋白酶活。. 在本项目的资助下，我们深入阐述了MS5复等位遗传的分子机理，解析了MS5可能参与的减数分裂调控路径。MS5蛋白结构和生化功能的研究，不仅能让我们从生化角度推测MS5调控减数分裂的可能机理，也提供了一种新的植物体内蛋白水解调控途径，为MS5蛋白家族基因的研究奠定了基础。