加强了Spo11形成DSB机制的理解，扩展了DNA断裂修复的概念

　　减数分裂是生殖细胞在有性生殖过程中产生单倍体细胞的分裂过程，能够增加配子的多样性，促进生物适应环境变化。在减数分裂时，同源染色体相互配对，发生重组交换。这一同源重组过程，由Spo11介导的DNA 双链断裂 (DNA double-strand breaks, DSBs) 所引发，但Spo11是如何结合并切割DNA的尚不清楚。

　　2021年6月9日，来自英国萨塞克斯大学Matthew J. Neale研究组的Dominic Johnson与Margaret Crawford（共同第一作者）在Nature上发表了题为Concerted cutting by Spo11 illuminates meiotic DNA break mechanics的文章，建立了相邻Spo11 分子结合在DNA 双螺旋上进行协同切割的模型，这打破了以往认为大多数重组事件是由单个 Spo11 引起的认知，加强了对Spo11介导形成DSB机制的理解，扩展了减数分裂期间DNA断裂修复的概念。

　　减数分裂中，DSB形成的位置有一定偏好，优先形成于被叫做热点（hotspots）的核小体缺失区域（nucleosome-depleted regions，NDRs）。DSB形成过程中，Spo11共价结合在断裂DNA的5’末端。结合了Spo11的DSB末端可以通过Mre11的核酶活性进行修复。Spo11结合的DNA序列很稳定，能通过免疫共沉淀与测序技术进一步分析。

　　图1：Spo11产生的DNA双链断裂被Mre11所修复。

　　Spo11结合的DNA序列（Spo11-oligos）主要有8–12 nt与25–35 nt两种长度，直到凝胶电泳敏感度提高后，一些长度在33-100nt之间的微弱条带才被发现。有趣的是，这些条带的长度成约10nt的等差数列排布，间隔符合B型DNA一圈螺旋的大小。与前两种Spo11-oligos不同，这些长条带在不激活Mre11内切酶活性时依然存在，表明这些新发现的长DNA是由Spo11自身介导形成DSB时产生的。研究者们将这种长DNA称为由Spo11双切割产生的序列（‘Spo11 double cuts’ , Spo11-DCs），并发现Spo11-DCs比Spo11-oligos更稳定，不受Mre11的酶解。

　　研究人员在Spo11-oligos的深度测序数据库中找到了长度分布在43，53，63和73nt的DNA，与Spo11-DCs的大小一致。为了探究Spo11-DCs长度大于30nt的原因，研究者们用Spo11–Rec102–Rec104–Ski8复合物进行了体外结合实验。他们将Spo11复合物与不同长度的DNA双链混合，然后发现复合物可以两端同时结合30-34bp或是24-25bp的DNA，但不能同时结合长度在这之间（26-29bp）的DNA。因此推断相邻的 Spo11 复合物会以同一个方向排列在DNA上，排列周期由 DNA 螺旋的节距（约 10.5 bp）决定。两个相邻Spo11在小于 30 bp 的距离上会彼此阻碍，不过这种空间上的阻碍可以通过 DNA螺旋的弯折来缓解。

　　图2：酿酒酵母中Spo11-oligos的长度分布。

　　Spo11-DC有这样几个特点：通过比较Spo11-DC 与 Spo11 DSB hotspot之间的全基因组图谱，发现Spo11-DC 在hotspot内呈现不均匀的分布；每个DSB都能在双链中形成两个Spo11 oligos，但双链中Spo11 oligos的形成位点往往不同，这种差异 在Spo11-DC中也存在；Spo11-DC 之间10.5 个碱基对的周期变化在酵母和小鼠中是保守的。

　　鉴于Spo11-DC与DSB之间的关联性与保守性，研究者猜想Spo11-DC可能有类似于DNA缺口（DNA gap）的修复途径。为了检验这一点，他们分析了msh2Δ型酵母中的重组序列，在这种酵母中，单个DSB引起的基因重组，会形成标记分离比为5：3的异源双链DNA（heteroduplex DNA，hDNA），而DNA缺口导致的基因重组，会形成标记分离比为6：2的DNA。在msh2Δ酵母中，有37%的重组具有6：2的标记分离比，研究者取出30-150bp之间的DNA片段，将其分成三类，其中A类反式hDNA（trans hDNA）是由DNA缺口修复形成的，而另外两类可能是由 Mlh1–Mlh3和Exo119等DNA切口酶导致的。他们发现A类片段与spo11结合hotspots的重合度最大。这表明，他们发现了一类新的重组事件，这类重组是由Spo11-DC引起的DNA缺口修复。

　　图3：酿酒酵母中Spo11-DC诱导的DNA缺口修复。

　　总结：之前的DSB修复模型中，大多数重组事件是由单个 Spo11 引发的。而该研究证明紧密相邻的Spo11 可以切割DNA，在这种双链缺口上可以进行遗传信息的转移。这一研究扩展了对于减数分裂重组途径的理解。

　　图4：Spo11-DC 形成模型。多个 Spo11 蛋白与其他 pro-DSB 因子组装形成一个平台，协调Spo11-DSB 形成。根据 Spo11（深橙色）和 DNA 螺旋重复结构之间的相互作用，形成单个 (a) 或协同 (b) DSB。

　　值得一提的是，在同期上，奥地利维也纳大学的Franz Klein团队发表了背靠背文章Spo11 generates gaps through concerted cuts at sites of topological stress。