减数分裂是真核生物有性生殖所必需，同源染色体间重组是减数分裂的核心事件，既保证了基因组的稳定性又产生了后代的遗传多样性。根据经典的DNA双链断裂（Double strand break，DSB）修复模型，重组起始于程序化产生的DSBs，断裂的DSB末端进一步切割形成3′单链DNA（single strand DNA, ssDNA），然后RPA（Replication protein A）结合ssDNA防止其降解，RPA接下来被重组酶RAD51和DMC1取代，形成由RAD51/DMC1包裹的螺旋状单链核蛋白纤维，寻找同源染色体的同源序列进行配对，入侵形成重组中间体D-loop和随后的double Holliday Junction（dHJ），重组中间体解开产生同源染色体间的交换（Crossover，CO）和非交换。
在大部分生物中，CO在染色体上非随机分布。19世纪20年代，Sturtevant和Muller研究果蝇减数分裂发现染色体上紧密相邻CO的数目远低于预测的数量，并且CO之间的距离也比随机分布更均匀，暗示存在影响CO形成和分布的潜在机制。1915年，Sturtevant首次将这一现象命名为“交叉干涉”（Crossover interference），指的是一个CO的产生会抑制染色体上相邻位置形成另一个CO的现象（Sturtevant A H. Zeitschrift für induktive Abstammungs-und Vererbungslehre, 1915, DOI: 10.1007/BF01792906）。然后，100多年来，虽然人们发现了多个蛋白参与这个过程，但是其作用的具体机制一直悬而未决。
随着对减数分裂过程的进一步认知，研究发现真核生物减数分裂普遍产生两类CO：干涉敏感型（I型）和干涉不敏感型（II型），其在染色体上的数目和分布受到严格的调控。已报到的大部分生物减数分裂产生的主要是I型CO，受到一类保守的ZMM蛋白（Zip1、Zip2、Zip3、Zip4、Msh4、Msh5和Mer3）及MLH1/3调控。植物HEI10是酵母Zip3的同源蛋白，其突变导致I型CO缺失。因其可以特异地在I型CO形成的位置定位，也被作为动植物中I型CO的主要标志物。小鼠和拟南芥中的证据都表明HEI10的量与I型CO的数目正相关，其作用机制不清楚。HEI10蛋白质最显著的结构特征是具有N端保守的RING结构域，可能作为E3泛素连接酶发挥功能，但其直接的底物也仍然不清楚。
基于ZMM蛋白HEI10具有在CO位置聚集的特征，本研究首次通过实验在体内和体外证明了HEI10蛋白质具有发生液液相分离（Liquid-liquid phase separation，LLPS）的特性，该生化特性依赖于第70位丝氨酸（Ser）。Ser70点突变后与hei10 T-DNA插入的突变体表型一致，我们证明了该点突变可能通过影响蛋白质结构从而导致HEI10无法发生相分离。有趣的是，在烟草中共表达HEI10和其他I型CO蛋白的时候，我们观察到了HEI10可以促进其他I型CO蛋白形成点状的共定位信号，反之其他I型CO对于HEI10蛋白质的聚集也有部分促进作用。但是这种相互促进现象并没有在HEI10和II型CO蛋白之间发生。这就暗示了在减数分裂CO形成的过程中，I型CO相关的蛋白质很可能是通过相分离的机制共同聚集于CO发生的位置，以促进I型CO的形成（图1）。利用这一机制，可以很好地解释“交叉干涉”现象，即相分离过程中小的蛋白质液滴逐渐融合成大的condensate，相邻区域几乎不会出现两个CO。这和近期的细胞学研究有异曲同工之妙，研究者通过超分辨率显微镜观察发现，HEI10蛋白在早期减数分裂染色体上由密集的小点逐渐聚集，随着减数分裂进程，最终形成只定位在I型CO位置的大的点状信号，该研究结合数学模型计算分析提出了HEI10在染色体上逐渐聚集的“粗化模型”。
此外，本研究还证明了拟南芥HEI10的E3泛素连接酶活性，并筛选到了其底物ssDNA结合蛋白RPA1a，并揭示了HEI10的相分离对于RPA1a的泛素化降解具有促进作用。
图1：相分离调控减数分裂干涉敏感型CO形成的模型
综上所述，本研究首次揭示了重组蛋白的相变机制，支持了前人对交叉干涉提出的“粗化模型”，为一个多世纪前发现的交叉干涉现象提供了合理解释。由于HEI10以及ZMM蛋白质在物种中的保守性，我们推测这一机制在真核生物中也是保守存在的，这对于进一步深入理解减数分裂重组形成过程有着十分重要的意义。
胜利体育中国官方网站博士生王天一为文章的第一作者，胜利体育中国官方网站/岭南现代农业生物与技术广东省实验室/华南农业大学王应祥教授，华南农业大学王聪教授，美国北卡罗来纳大学教堂山分校Gregory Copenhaver教授为共同通讯作者。华南农业大学尤辰江教授和贾倩副教授也提供了指导和帮助，胜利体育中国官方网站已毕业的王宏宽和连启超博士也参与了该项工作。该研究得到了国家自然科学杰出青年基金、胜利体育中国官方网站遗传工程国家重点实验室、岭南现代农业生物与技术广东省实验室和华南农业大学“双一流”建设经费的资助。