短い染色体が減数分裂で再結合するメカニズムを多層的に解明

Multilayered mechanisms ensure that short chromosomes recombine in meiosis.

• Hajime Murakami
• Isabel Lam
• Pei-Ching Huang
• Jacquelyn Song
• Megan van Overbeek
• Scott Keeney

抄録

ほとんどの種では、減数分裂の際に正確に分離するためには、相同染色体が組み換えを行わなければなりません。組換えがランダムに分布している場合、小さな染色体は偏析の危険性があるため、組換えを開始する二本鎖切断（DSB）は任意の位置には存在しません。DSBの分布の非ランダム性がどのように制御されるのかは、いくつかの経路がDSBのタイミング、位置、数を制御することが知られていますが、理解されていません。増殖期のDSBはSpo11とRec114とMer2を含む付属のDSBタンパク質によって生成され、これらは染色体上に集合し、真核生物ではほぼ普遍的なものである。ここでは、サッカロミセス・セレビシエが、Rec114とMer2の染色体への結合を制御するために、複数の時間的に異なる経路を統合していることを示し、それによってDSBコンピテント状態の持続時間を制御していることを示している。また、複製のタイミングやセントロメアやテロメアへの近接性が第一期の初期の Rec114 と Mer2 の蓄積に影響を与えている。このように、生物の核型と減数分裂のリスクは、その組換えランドスケープの形と進化に影響を与えている。この結果は、相同染色体のすべてのペアにDSBを割り当てる多面的で進化的に制約されたシステムについてのまとまりのある見解を提供するものである。

In most species, homologous chromosomes must recombine in order to segregate accurately during meiosis. Because small chromosomes would be at risk of missegregation if recombination were randomly distributed, the double-strand breaks (DSBs) that initiate recombination are not located arbitrarily. How the nonrandomness of DSB distributions is controlled is not understood, although several pathways are known to regulate the timing, location and number of DSBs. Meiotic DSBs are generated by Spo11 and accessory DSB proteins, including Rec114 and Mer2, which assemble on chromosomes and are nearly universal in eukaryotes. Here we demonstrate how Saccharomyces cerevisiae integrates multiple temporally distinct pathways to regulate the binding of Rec114 and Mer2 to chromosomes, thereby controlling the duration of a DSB-competent state. The engagement of homologous chromosomes with each other regulates the dissociation of Rec114 and Mer2 later in prophase I, whereas the timing of replication and the proximity to centromeres or telomeres influence the accumulation of Rec114 and Mer2 early in prophase I. Another early mechanism enhances the binding of Rec114 and Mer2 specifically on the shortest chromosomes, and is subject to selection pressure to maintain the hyperrecombinogenic properties of these chromosomes. Thus, the karyotype of an organism and its risk of meiotic missegregation influence the shape and evolution of its recombination landscape. Our results provide a cohesive view of a multifaceted and evolutionarily constrained system that allocates DSBs to all pairs of homologous chromosomes.