DNA聚合酶ε调控减数分裂重组的分子机理

Meiosis is essential for sexual reproduction in most eukaryotes. Meiotic recombination is one of the critical events during prophase I and initiates from the double strand break (DSB). DNA synthesis-dependent DSB repair is required for meiotic recombination. However, current knowledge in understanding of DNA synthesis during meiotic recombination is quite limited. Our previous work reported that POL2A, the homolog of DNA polymerase ε (Pol ε) in Saccharomyces cerevisiae, is required for the formation of major meiotic recombination pathway. Given that Pol ε in budding yeast is mainly responsible for the leading strand elongation during DNA replication, we hypothesized that the sufficient leading strand synthesis plays a role in determination of recombination pathways. To investigate the molecular mechanism of POL2A in determination of recombination pathways, we used a yeast-two-hybrid system to identify a POL2A interacting protein named PIP1, which can bind DNA and also has already been reported as a chromatin remodeling factor. Based on the previous results, this project will fully utilize molecular genetics, cytological biology, biochemistry and epigenetic analyses to focus on three aspects below: (1) verification of PIP1-POL2A interaction; (2) genetic analysis of these two genes in meiotic recombination; (3) analysis of the PIP1 binding site in relation to the published meiotic recombination hotspots. Together, the project will provide new insight into the role of POL2A in the determination of meiotic recombination pathways.

减数分裂是真核生物有性繁殖必需的过程。重组是减数分裂的核心事件之一，起始于DNA双链断裂。依赖DNA合成的双链断裂修复是重组的必需环节，迄今为止减数分裂重组中DNA合成的分子遗传研究鲜有报道。本研究前期工作证明了酿酒酵母中DNA聚合酶ε（POL ε）的同源基因POL2A参与减数分裂重组的主要通路。由于酵母中POL ε的主要生化功能是负责DNA前导链延伸，因此我们推断DNA前导链延伸对重组通路选择有重要的调控作用。为了研究POL2A参与重组通路选择的分子机制，本项目通过酵母双杂系统筛选到了POL2A的互作因子PIP1。已有的研究报道PIP1是一个染色质修饰因子，能够与DNA结合。本课题拟采用分子遗传学、细胞生物学、生物化学、组学等手段，深入研究两个蛋白间的互作；基因之间的遗传互作关系； PIP1在减数分裂细胞中的结合位点及与重组分布的关系等，最终解析POL2A调控减数分裂重组的分子机制。

减数分裂是现有的真核生物进行有性生殖的必要过程。减数分裂重组是减数分裂过程中重要的一个环节。已有的研究对减数分裂重组的发生、调控机制尚未有详尽的报道。开展此项目之前，我们实验室鉴定并分析了拟南芥中DNA聚合酶Epsilon（POL2A）在减数分裂及重组中的功能，揭示了DNA合成因子参与重组修复及调节不同重组途径的功能。该项目为这一工作的延续。主要研究内容分为三部分：1. 研究了POL2A通过碳端结构域识别异染色质特异组蛋白，并招募PIP1，通过后者调控异染色质结构从而保证减数分裂正常发生的机制。该部分工作已完成所有实验正在论文撰写过程中；2. 鉴定并分析了参与DNA复制后随链合成的DNA聚合酶Delta在减数分裂及重组中的功能，完善了已有的减数分裂重组模型，为基于减数分裂重组的分子设计育种提供理论支持；3. 研究了表观遗传调控的一种形式——小RNA参与拟南芥中减数分裂特异表达基因和重组的调控；同步分析了大豆和黄瓜中的小RNA特征，揭示了其在不同物种的的特异性和保守型；鉴定到的若干个减数分裂特异表达的保守microRNA也将为以后在作物中的育种工作提供理论基础。