植物核纤层类似蛋白在DNA损伤修复中的功能及其分子机制

To maintain genome integrity and stability, the DNA damage responses (DDR) are triggered to carry out DNA damage repair. The nuclear lamina functions as a scaffold, tethering chromatin and protein complexes, and regulating a variety of nuclear processes such as gene replication, transcription and DNA repair. Plants encode lamin-like proteins, CROWDED NUCLEI (CRWNs) with their functions largely unknown. In addition to the role of CRWNs in plant immunity, we found that crwn1 crwn2 double mutant show DNA damage related phenotypes. At the molecular level, CRWN1 directly interacts with SNI1, a subunit of the STRUCTURAL MAINTENANCE OF CHROMOSOMES (SMC) 5/6 complex. Genetically, crwn1 crwn2 sni1 triple mutant shows abnormal growth and severally dwarfing phenotypes. Based on our long-term studies on plant nuclear structures and functions, we plan to reveal how CRWN regulates DNA damage repair and further uncover the role of CRWN in the crosstalk between plant pathogen resistance and DNA damage and repair.

为维持基因组的完整性与稳定性，生物体启动DNA损伤反应(DDR)，进而进行DNA的损伤修复。核纤层作为细胞核骨架，锚定染色质与蛋白复合体，参与调控细胞核中包括基因复制、转录、修复等的众多生物学过程。植物中存在核纤层类似蛋白(CROWDED NUCLEI, CRWN)，对其功能和作用机制却知之甚少。我们前期在发现CRWN蛋白参与植物抗病基础上，进一步发现crwn1 crwn2双突变体具有DNA 损伤相关的表型。分子水平上CRWN1与染色体结构维持复合体(SMC) 5/6中的组分SNI1存在蛋白上的直接互作；遗传关系上crwn1 crwn2 sni1三突变体发育异常、植株严重矮小。我们拟在长期研究植物细胞核结构和功能工作基础上，探明CRWN如何调控DNA损伤修复，同时揭示CRWN在抗病与DNA损伤修复交叉通路中的功能。

植物生长在自然环境中，不断受到寒冷、炎热、电离辐射、干旱等因素的威胁，其基因组稳定性不断受到内源和外源DNA损伤因素的挑战，不及时修复，会导致发育缺陷，甚至致死的严重结果。为了保证遗传信息的稳定遗传，植物进化出DNA损伤应答系统促进DNA修复。核纤层类似蛋白（CRWN）家族蛋白被认为是核纤层蛋白的最佳候选蛋白，具有多种功能，包括基因表达调控、基因组组织和DNA损伤修复。然而，迄今为止，CRWNs在DNA修复中的具体分子机制仍然未知。本项目发现拟南芥核纤层类似蛋白CRWNs转录和蛋白水平受到DNA损伤的调控。与野生型（WT）相比，crwn1 crwn2突变体表现出DNA损伤相关表型，并且DNA损伤响应基因的转录水平升高。CRWN1/2与RAD51D和NPR1-1抑制因子（SNI1）（两种已知的DNA损伤修复因子）在物理上相互作用，并在遗传上以相同的途径发挥作用。DNA双链断裂 (DSBs) 诱导试剂甲基磺酸甲酯 (Methyl Methanesulfonate, MMS) 处理会引起CRWNs蛋白在细胞核内形成点状结构，这些点与DNA损伤标记γH2A.X共定位。体外相分离实验和体内FRAP实验发现CRWNs具有液-液相分离潜力，并且DNA损伤条件下，CRWNs发生相分离形成液滴。SNI1和RAD51D不具有相分离潜力，体外相分离实验进一步发现单独的SNI1和RAD51D无法形成液滴，但是CRWNs能驱动SNI1和RAD51D发生液-液相分离。这表明在DSBs位点处，CRWNs驱动SNI1和RAD51D 发生液-液相分离形成“DNA修复小体”，这种小体环境能保证DNA修复因子的区室化，以保证有效的DNA损伤修复，维持基因组的稳定。本项目研究结果首次揭示了植物核纤层类似蛋白CRWN通过液-液相分离参与调控DNA损伤修复的新分子机制。由于CRWN在不同的植物物种中是保守的，植物的固着性要求它们应对经常导致DNA损伤的各种不断胁迫，因此本项目的研究结果将在植物科学领域引起广泛的兴趣。