减数分裂过程中染色体重组的分子机理

Meiotic recombination is an important source of genetic diversity and serves as a driver of adaptive evolution of sexually reproducing organisms. Recombination is a complicated process in which DNA specificity, chromatin structure, histone modification and numerous enzymes get involved. In this project, we conduct a genome-scale study of molecular mechanism of recombination in yeast, Arabidopsis thaliana and human using bioinformatics approaches. The aim of the project is to (1) develop a deformation energy-based model for predicting nucleosome positioning, and predict the nucleosome re-positioning during recombination; (2)explore the interaction between DNA and cohesin, which plays a key role in the axis-loop structure formation and recombination hotspots distribution along a chromosome; (3) develop a model for predicting sequence-specific binding of Prdm9 to mammalian recombination hotspots; (4) develop a model for predicting recombination hotspots, in which the effects of DNA sequence, nucleosome positioning and histone modification are incorporated; (5)carry out a genome-wide search for genes that are involved in the recombination pathway.

减数分裂过程中的同源染色体重组是遗传多样性的重要源泉，是有性生殖生物适应性进化的原动力。减数分裂重组是DNA序列特异性、染色质结构、组蛋白修饰、多种酶共同作用的复杂过程。本项目以酵母、拟南芥和人基因组为研究对象，用生物信息学方法在全基因组水平上研究减数分裂重组的分子机理。主要完成以下几方面的工作：（1）在染色质的核小体结构层面上，建立基于能量的核小体定位模型并预测重组过程中核小体的移动；（2）在染色质的轴-环（axis-loop）结构层面上，研究对轴-环结构的形成和重组热点的分布起关键作用的黏连蛋白cohesin与DNA的相互作用；（3）研究哺乳动物重组热点的识别蛋白酶Prdm9与重组热点的特异性结合机制，发展预测Prdm9酶结合位点的生物信息学模型；（4）建立融合DNA序列、核小体定位、组蛋白修饰等多种信息的重组热点预测模型；（5）在全基因组范围内搜寻发现与重组通路相关的基因。

项目主要围绕减数分裂重组这一基本生物学过程开展研究，重点研究核小体结构的理论建模、染色质开放性对重组的调控、重组热点的理论预测等问题，主要研究结果和科学发现如下：.（1）建立了基于DNA变形能的核小体定位预测模型，表征了酿酒酵母基因组的DNA变形能图谱，提出了核小体定位的两种模式和序列依赖的核小体滑动模型。该模型具有较好的对核小体占据率、核小体旋转定位、核小体组装能力的预测性能；证明核小体在基因TSS周围的规则分布与DNA变形能及核小体形成势垒效应有关；发现核小体的脆性可能由DNA变形能介导；发现较宽的核小体缺乏区可能是染色质重塑子作用于易形成核小体的基因组区域作用的结果。.（2）研究染色质可及性对重组的调控作用，发现小鼠雌性胚胎进入减数分裂时较多的DNase超敏感位点（DHS）促进重组的发生；减数分裂时期的DHS分为减数分裂时期新出现的DHS和减数分裂之前稳定存在的DHS，前者称之为减数分裂特异DHS，后者为稳定DHS；发现该两类DHS的序列和表观遗传信号特征差异；提出了依赖于PRDM9的重组模型：稳定的DHS倾向于出现在减数分裂染色质轴环结构中染色质环的铆钉位置上，富含CTCF结合模体，而特异DHS倾向于出现在内含子和远端基因间区域，并处于染色质环上，促进DNA双链断裂和重组。特异DHS又可分为富集CTCF结合模体的DHS和富集PRDM9结合模体的DHS，其中富集CTCF结合模体的DHS不作为重组热点，而富集PRDM9结合模体的DHS区域在细胞进入减数分裂时由PRDM9的结合而移动核小体使得该区域变得开放，促进DNA双链断裂和重组的发生。.（3）从序列和表观信号的角度对酵母重组冷热点进行较全面的表征，发现一些表征重组热点的新的特征，并建立序特征和表观信号融合的基于SVM和随机森林的重组热点预测模型，结果表明基于表观信号的预测准确率（86%）高于基于DNA序列的预测（79%）。.