2022年9月，中国农业科学院深圳农业基因组研究所武志强课题组在《The Plant Journal》在线发表了题为"Long-read sequencing characterizes mitochondrial and plastid genome variants in Arabidopsis msh1 mutants”的研究论文，报道了拟南芥MSH1介导的细胞器基因组重组与变异积累规律。

DNA损伤会破坏基因组完整性，阻碍基因的转录和复制。核基因编码的MSH1蛋白，定位于线粒体和叶绿体，参与DNA的修复，通过抑制重复序列之间的不合理重组来维持细胞器基因组的结构完整性。此前对拟南芥中的MSH1研究广泛，但对其在重复序列中的作用仍缺乏全面了解，部分原因是传统的杂交条带和短读长测序的技术限制。短读长测序不能跨越整个重复、分析重组断点，不能检测更多复杂的结构重排，也不能完全表征变异模式，会对我们精准地获得全局性重组图谱、理解细胞器基因组变异积累模式造成障碍。

为了全面研究拟南芥细胞器基因组的变异模式，研究团队利用PacBio HiFi测序，检测了拟南芥msh1突变体中细胞器基因组的结构变异（SVs）、单碱基变异（SNVs）及小片段插入缺失变异（indels），识别了由一个或多个重复序列所介导的重排而引起的结构变异，以及较低频率的微同源末端连接（microhomology-mediated end joining，MMEJ）和非同源末端连接（non-homologous end joining ，NHEJ）事件。

研究发现，野生型中，7.50%的重排是由非串联重复介导。而在msh1突变体中，这一比例增加到31.63%。其中，中等大小重复介导的重排reads和多次重排reads的比例增加， MMEJ事件的比例也有所增加。

图1. 拟南芥线粒体基因组的重排

研究人员根据检测到的变异绘制了线粒体基因组重复序列介导重组的精细图谱（图2），在msh1中，由中等大小的重复所介导的重组事件很常见。许多之前没有命名的小重复也与线粒体基因组重排相关。

图2. 拟南芥msh1突变体线粒体基因组一次重排图谱

作者研究了不完全相似的高活性和中活性重复序列中的SNVs和indels，线粒体基因组重组的模式表明，用于DNA双链断裂(double-strand breaks,DSBs)损伤修复的dsDNA模板可以是等位基因或非等位基因，重组产物可以是交换或非交换(图3)。

图3. DNA双链断裂修复可能采用等位或非等位模板

HiFi测序在解析不完全相似重复序列重组产物内部的SNVs/indels分布具有优势，不仅能表征所有重排，也能够检测到不包含任何重排但仍然在重复中存在的变异 (图4)。

图4. 长读测序可以识别零重排重复中的变异

2.msh1突变体中叶绿体基因组变异的不同积累模式

正如在线粒体基因组中观察到的一样， msh1突变体中叶绿体MMEJ事件的比例也有增加。例如，在msh1突变体中最活跃的部分回文序列(一个22-bp的茎和一个9-nt的环)介导的MMEJ事件中，在茎和环区域都能观察到重组断点 (图5) 。

图5. msh1突变体中的MMEJ事件

除此之外，研究人员还观察到一个样本特异性积累模式，他们发现只存在于一个样本(M3-43-5)中的NHEJ产物，会导致PetA基因中65 bp的缺失(图6)。

图6. 仅发生在M3-43-5个体中的NHEJ事件

3. MSH1抑制非相同重复序列之间的SNVs和indels的交换

作者认为，MSH1抑制异位重组的功能和错配修复机制之间很可能存在联系。在野生型中，MSH1通过抑制异位重组来维持结构和序列水平的同源性(步骤1)。此前有假设MSH1通过识别DNA中的错配并引入DSBs启动重组修复来执行这些功能。当MSH1的表达/活性被基因或环境干扰时(步骤2)，细胞器基因组变得高度异质性。当MSH1活性恢复时(步骤3)，两个基因组都回到低同质状态（图7）。

图7. MSH1影响叶绿体和线粒体基因组变异与进化方式模型

该研究推测MSH1表达量下降可能造成线粒体和叶绿体基因组结构和序列变异增加，而变异积累模式的差异可能是两套基因组进化轨迹差异的原因之一。

文献链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.15976