加強了Spo11形成DSB機制的理解，擴展了DNA斷裂修復的概念

　　減數分裂是生殖細胞在有性生殖過程中產生單倍體細胞的分裂過程，能夠增加配子的多樣性，促進生物適應環境變化。在減數分裂時，同源染色體相互配對，發生重組交換。這一同源重組過程，由Spo11介導的DNA 雙鏈斷裂 (DNA double-strand breaks, DSBs) 所引發，但Spo11是如何結合并切割DNA的尚不清楚。

　　2021年6月9日，來自英國薩塞克斯大學Matthew J. Neale研究組的Dominic Johnson與Margaret Crawford（共同第一作者）在Nature上發表了題為Concerted cutting by Spo11 illuminates meiotic DNA break mechanics的文章，建立了相鄰Spo11 分子結合在DNA 雙螺旋上進行協同切割的模型，這打破了以往認為大多數重組事件是由單個 Spo11 引起的認知，加強了對Spo11介導形成DSB機制的理解，擴展了減數分裂期間DNA斷裂修復的概念。

　　減數分裂中，DSB形成的位置有一定偏好，優先形成于被叫做熱點（hotspots）的核小體缺失區域（nucleosome-depleted regions，NDRs）。DSB形成過程中，Spo11共價結合在斷裂DNA的5’末端。結合了Spo11的DSB末端可以通過Mre11的核酶活性進行修復。Spo11結合的DNA序列很穩定，能通過免疫共沉淀與測序技術進一步分析。

　　圖1：Spo11產生的DNA雙鏈斷裂被Mre11所修復。

　　Spo11結合的DNA序列（Spo11-oligos）主要有8–12 nt與25–35 nt兩種長度，直到凝膠電泳敏感度提高后，一些長度在33-100nt之間的微弱條帶才被發現。有趣的是，這些條帶的長度成約10nt的等差數列排布，間隔符合B型DNA一圈螺旋的大小。與前兩種Spo11-oligos不同，這些長條帶在不激活Mre11內切酶活性時依然存在，表明這些新發現的長DNA是由Spo11自身介導形成DSB時產生的。研究者們將這種長DNA稱為由Spo11雙切割產生的序列（‘Spo11 double cuts’ , Spo11-DCs），并發現Spo11-DCs比Spo11-oligos更穩定，不受Mre11的酶解。

　　研究人員在Spo11-oligos的深度測序數據庫中找到了長度分布在43，53，63和73nt的DNA，與Spo11-DCs的大小一致。為了探究Spo11-DCs長度大于30nt的原因，研究者們用Spo11–Rec102–Rec104–Ski8復合物進行了體外結合實驗。他們將Spo11復合物與不同長度的DNA雙鏈混合，然后發現復合物可以兩端同時結合30-34bp或是24-25bp的DNA，但不能同時結合長度在這之間（26-29bp）的DNA。因此推斷相鄰的 Spo11 復合物會以同一個方向排列在DNA上，排列周期由 DNA 螺旋的節距（約 10.5 bp）決定。兩個相鄰Spo11在小于 30 bp 的距離上會彼此阻礙，不過這種空間上的阻礙可以通過 DNA螺旋的彎折來緩解。

　　圖2：釀酒酵母中Spo11-oligos的長度分布。

　　Spo11-DC有這樣幾個特點：通過比較Spo11-DC 與 Spo11 DSB hotspot之間的全基因組圖譜，發現Spo11-DC 在hotspot內呈現不均勻的分布；每個DSB都能在雙鏈中形成兩個Spo11 oligos，但雙鏈中Spo11 oligos的形成位點往往不同，這種差異 在Spo11-DC中也存在；Spo11-DC 之間10.5 個堿基對的周期變化在酵母和小鼠中是保守的。

　　鑒于Spo11-DC與DSB之間的關聯性與保守性，研究者猜想Spo11-DC可能有類似于DNA缺口（DNA gap）的修復途徑。為了檢驗這一點，他們分析了msh2Δ型酵母中的重組序列，在這種酵母中，單個DSB引起的基因重組，會形成標記分離比為5：3的異源雙鏈DNA（heteroduplex DNA，hDNA），而DNA缺口導致的基因重組，會形成標記分離比為6：2的DNA。在msh2Δ酵母中，有37%的重組具有6：2的標記分離比，研究者取出30-150bp之間的DNA片段，將其分成三類，其中A類反式hDNA（trans hDNA）是由DNA缺口修復形成的，而另外兩類可能是由 Mlh1–Mlh3和Exo119等DNA切口酶導致的。他們發現A類片段與spo11結合hotspots的重合度最大。這表明，他們發現了一類新的重組事件，這類重組是由Spo11-DC引起的DNA缺口修復。

　　圖3：釀酒酵母中Spo11-DC誘導的DNA缺口修復。

　　總結：之前的DSB修復模型中，大多數重組事件是由單個 Spo11 引發的。而該研究證明緊密相鄰的Spo11 可以切割DNA，在這種雙鏈缺口上可以進行遺傳信息的轉移。這一研究擴展了對于減數分裂重組途徑的理解。

　　圖4：Spo11-DC 形成模型。多個 Spo11 蛋白與其他 pro-DSB 因子組裝形成一個平臺，協調Spo11-DSB 形成。根據 Spo11（深橙色）和 DNA 螺旋重復結構之間的相互作用，形成單個 (a) 或協同 (b) DSB。

　　值得一提的是，在同期上，奧地利維也納大學的Franz Klein團隊發表了背靠背文章Spo11 generates gaps through concerted cuts at sites of topological stress。