真核生物的基因組被組裝成高度有序而又動態變化的染色體，染色體這種高級結構的形成需要一類被稱為染色體結構維持的複合物(Structural Maintenance of Chromosome, SMC)。SMC複合物可以分為三種類型：黏連蛋白 (cohesion) 包含SMC1和SMC3，用於促進姐妹染色單體間的黏連；濃縮蛋白 (condensin) 包含SMC2和SMC4，介導染色質的摺疊和染色體的濃縮；SMC5/6複合體，主要通過解除複雜DNA結構來維持基因組的穩定性【1】。酵母中的研究表明，SMC5/6複合體的兩個核心組分SMC5、SMC6以及6個非結構性元件亞基 (non-structural element NSE) 組裝成了3個亞複合物 (NSE1-NSE3-NSE4, NSE5-NSE6 和 NSE2-SMC5-SMC6)。 NSE1-NSE3-NSE4與雙鏈DNA結合併與SMC5、SMC6相互作用，NSE5-NSE6同樣與SMC5、SMC6互作，而NSE2具有E3 SUMO連接酶的活性，可對其底物進行SUMO化修飾【2】。擬南芥中存在多個SMC5/6複合體亞基的編碼基因，但對於擬南芥中SMC5/6複合體包含的具體組分，以及每個亞基所參與的具體的發育過程還不是很清楚。
近日，The Plant Cell 雜誌發表了德國馬普育種所（Max Planck Institute for Plant Breeding Research）Ales Pecinka教授課題組題為The SMC5/6 Complex Subunit NSE4A is Involved in DNA Damage Repair and Seed Development 的研究論文。該研究通過細胞學、遺傳學以及生物化學等實驗手段揭示了SMC5/6複合物的NSE4A亞基參與植物體細胞的DNA損傷修復並且影響種子發育。
擬南芥基因組包含兩個NSE4的編碼基因，分別命名為NSE4A和NSE4B，進化分析表明這兩個基因起源於4700萬年前的全基因組重複事件。轉錄及翻譯水平的表達分析表明，NSE4A在花瓣，花絲，花粉，子房，發育的種子中表達，尤其是在減數分裂細胞中表達信號很強。NSE4B表達較弱，僅在10期和12期的花葯及受精後的胚囊中表達。研究者分別分析了這兩個基因的各兩個T-DNA突變體的表型，nse4a-1的插入位點在第二個外顯子，該突變體純合致死，雜合狀態有28.8%的種子不育，而nse4a-2的插入位點是最後一個外顯子，是一個弱突變，純合突變體有53.4%的種子敗育。敗育種子的發育過程停滯在心形胚或者心形胚向魚雷形胚轉換的過程。而nse4b-1 和nse4b-2完全可育，nse4a-2 nse4b-2雙突變體的表型也更像nse4a-2單突的表型，表明NSE4A和NSE4B兩個旁系同源基因並不功能冗餘，可能是由於NSE4B的表達相對較弱造成的。
NSE4A is necessary for seed development
接下來，研究者分析了NSE4A在體細胞DNA損傷修復過程中的作用。首先，研究者發現NSE4A的表達可以被基因毒劑zebularine和bleocin所誘導。其次nse4a-2的生長對於zebularine 和 MMS的處理非常敏感。Zebularine處理使得莖尖分生組織的面積降低了31%，同時使得細胞周期的G2期大達延長。同時對zebularine處理前後的材料進行轉錄組分析表明，zebularine處理使得nse4a-2中1374個基因上調，773個基因下調，這些上調的基因包含了許多DNA損傷修復所必須的基因，說明NSE4A的突變激活了植物的DNA損傷修復反應。最後Y2H, BiFC和Co-IP等實驗表明NSE4A可以和SMC5/6複合體中的 NSE3以及SMC5亞基進行相互作用。這些結果表明，NSE4A參與SMC5/6複合體的形成，從而發揮修復DNA損傷的功能。
NSE4A is involved in somatic DNA damage repair
綜上，通過本項研究，研究者揭示了SMC5/6複合物的NSE4A亞基參與體細胞DNA損傷修復重要功能，並且證明NSE4A是小孢子發生，配子體形成以及種子發育正常過程不可或缺的。
參考文獻
【1】Diaz, M. and Pecinka, A. (2018). Scaffolding for repair: Understanding molecular functions of the SMC5/6 complex. Genes (Basel). 9: 36.
【2】 Duan, X., Yang, Y., Chen, Y.-H., Arenz, J., Rangi, G.K., Zhao, X., and Ye, H. (2009). Architecture of the Smc5/6 complex of Saccharomyces cerevisiae reveals a unique interaction between the Nse5-6 subcomplex and the hinge regions of Smc5 and Smc6. J Biol Chem 284: 8507–8515.
www.plantcell.org/content/early/2019/04/29/tpc.19.00310
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