拟南芥染色质重塑因子INO80在减数分裂过程中的功能研究

Chromatin remodeling is the important part of epigenetic regulation. SNF2(Sucrose Non-Fermenting 2) chromatin remodeling factor family members are key regulators in establishing and maintaining chromatin dynamics by utilizing energy from ATP hydrolysis, which include INO80 (Inositol requiring 80). INO80 is highly conserved from yeast to human, and its remodeling activity plays critical roles in diverse DNA metabolisms. However, the function of INO80 in plant development is still not clear. We isolated and characterized several Atino80 T-DNA insertion mutants. We found these mutants display pleiotropic phenotypes in plant development, including dwarf size, abnormal vegetative and reproductive organs, reduced fertility and so on, implicating INO80 functions in various processes during plant development. Recently, we found the ino80 mutant showed abnormal chromosome behaviors in male meiosis of Arabidopsis. We will try to analyze the biological function and the molecular mechanisms of INO80 protein in meiotic programs using the techniques of cell biology, molecular biology, genetics and epigenetics. We also hope to provide new information to understand the roles of epigenetic regulators in meiosis.

染色质重塑是表观遗传学的核心研究内容之一，染色质重塑复合体能够利用ATP水解提供的能量建立与维持染色质的动态结构，INO80是其重要成员之一。INO80蛋白从单细胞酵母到人类保守存在，其染色质重塑活性在众多DNA代谢过程中发挥着重要功能，然而INO80在植物中的功能目前还知之甚少。申请人实验室分离鉴定了多个拟南芥INO80缺失突变体，表型观察发现它们在发育过程中表现出多种缺陷，包括个体矮小、营养器官与生殖器官发育迟缓、晚开花以及育性降低等，表明INO80基因参与植物发育的多个生理过程。最新的研究发现INO80的缺失导致了拟南芥雄配子减数分裂期染色体行为异常，本项目将利用细胞生物学、分子生物学、遗传学和表观遗传学等研究手段，深入分析染色质重塑因子INO80在植物雄配子减数分裂中发挥功能的分子机制，探索表观遗传调控在减数分裂过程中的作用，为研究减数分裂的分子机制提供新的思路。

INO80是ATP依赖染色质重塑因子的重要成员之一，在真核生物中保守存在，其染色质重塑活性在DNA代谢过程中发挥着重要功能，然而INO80在植物中的功能目前还知之甚少。我们实验室的前期研究发现拟南芥INO80（Arabidopsis thaliana INO80，AtINO80）在有丝分裂同源重组（homologous recombination， HR）中为正调控因子，但其在减数分裂中的作用还不清楚。本项目的研究发现，AtINO80 缺失的拟南芥突变体，在减数分裂后期I表现出异常，产生染色体碎片以及联丝（bridge）。遗传分析发现AtINO80 作用于AtSPO11和AtRAD51的下游，其染色体碎片的产生依赖于AtSPO11。在粗线期（pachytene），γ-H2A.X 和RAD51信号在ino80-5突变体中的滞留，表明AtINO80参与正常减数分裂的DSB修复过程。进一步的分析发现：ino80-5 突变体中交叉结（crossovers，COs）比野生型多，而且增加的CO依赖于MUS81途径；花粉四分体荧光法分析表明发现INO80缺失导致同源重组频率的增加。我们的研究发现染色质重塑因子INO80在植物减数分裂中，可以促进DBS修复并抑制CO的形成，对深入研究减数分裂同源重组机制提供了新的线索。