减数分裂是配子发生的关键环节。在这个高度复杂的过程中发生了DNA双链断裂、修复、以及同源染色体联会等重要事件，其结果是DNA重组和同源染色体的精确分离。这些事件的完成依赖于染色质和大量染色质结合蛋白的协同作用，包括联会复合体蛋白、黏连素、染色质修饰/重塑因子和转录因子等。近年来，多种新的调控减数分裂的染色质结合蛋白（例如MEIOSIN、MEIOK21和ZCWPW1等）被陆续发现，但是人们相信并期待更多蛋白质因子被发现。
BEN蛋白家族是一个较新的蛋白家族，在人和小鼠中有9个成员（Protein & Cell丨松阳洲/黄军就合作揭示了Bend家族蛋白标记染色质边界并协同促进早期生殖细胞分化）。目前人们对该家族成员的功能和作用机制所知有限，仅对BEND3的研究较多（专家点评Science | 朱冰/许瑞明合作团队报道CpG岛结合蛋白BEND3作用机制），发现BEND3通过与NuRD\NoRC\PRC2等复合物相互作用参与抑制rDNA的转录、介导结构性异染色质向兼性异染色质的转换以及抑制基因转录等【1-3】。同时最新的研究还表明BEND3能够与CpG岛结合并抑制二价基因在胚胎干细胞分化过程中被过早激活【4】。然而，BEN蛋白家族是否有成员参与减数分裂进程目前还未知。
针对这一问题，2022年5月25日，中国科学院动物研究所韩春生团队和合作者们在Science Advances上发表题为Identification and characterization of BEND2 as a key regulator of meiosis during mouse spermatogenesis的研究。该研究揭示了BEN蛋白家族的新成员BEND2是参与雄性小鼠减数分裂的关键调控因子，BEND2通过调控染色质开放状态和抑制减数分裂启动相关基因的表达，从而保证减数分裂进程的稳定。
有趣的是，本研究中的BEND2蛋白最早是作为一个长非编码RNA (long noncoding RNA, lncRNA) 被发现的。研究人员最初的研究目的是筛选并分析在精子发生中特异性表达的lncRNA。通过生物信息学挖掘，研究者发现了一个在小鼠睾丸中特异性表达的lncRNA (NCBI gene ID: 108168453)，然而在后续的研究中这个lncRNA被重新注释为一个BEN家族的蛋白编码基因 (UniProt ID: A0A140LIQ5)，由此正式开启了BEND2蛋白在精子发生中的功能研究。Bend2在小鼠和人中是一个X染色体连锁基因，编码了长度为728个氨基酸的蛋白质。在人中，已有文献报道BEND2与其他蛋白形成的融合蛋白可以参与多种癌症的发生【5】，但尚未发现其在生殖领域的功能研究。
研究人员发现，BEND2在雄性小鼠睾丸组织中特异性表达，从B型精原细胞开始出现并持续到中粗线期精母细胞，在细线期精母细胞中表达量达到最高。通过构建Bend2敲除小鼠，研究人员发现，Bend2突变导致雄性小鼠高度不育，精子发生阻滞在偶线期精母细胞阶段。进一步研究表明，BEND2缺失造成DSB修复异常并出现了非同源染色体联会和姐妹染色单体联会。为了对BEND2的作用机制进行研究，研究人员构建了FLAG-BEND2 KI小鼠，co-IP-LC-MS/MS结果显示，BEND2与多种染色质修饰/调控因子和转录抑制复合物存在相互作用，包括CHD4, LSD1, HDAC1, HP1γ, ADNP, ZMYM2等。此外，研究人员发现BEND2在基因组上主要结合在基因间区的简单重复序列上，并将BEND2的结合位点映射到细线期和偶线期精母细胞的11种染色质状态中。有趣的是，BEND2显著的富集在多种染色质状态中，包括富集H3K27me3的染色质状态，暗示了BEND2可能起到保持染色质状态关闭和抑制基因转录的作用。研究人员进一步利用RNA-seq和ATAC-seq对Bend2敲除小鼠的染色质开放状态和差异基因进行了分析，发现有大量与“转录调控”、“细胞周期”和“生殖细胞发育”相关的基因表达上调，而这些基因在野生型小鼠的减数分裂启动过程中应该被逐渐关闭（例如Dmrt1, Lin28a, Stra8, Sohlh1/2等），同时这些基因转录起始位点附近的染色质状态更加开放，且组蛋白修饰H3K4me3信号增强。
综上所述，该研究利用基因编辑小鼠模型结合多组学数据分析，证明BEND2是雄性小鼠减数分裂进程中一个必不可少的新的调控因子，它通过与多种染色质修饰/调控因子和转录抑制复合物相互作用，抑制与精原细胞分化和减数分裂启动相关基因的表达，从而保证减数分裂进程的有序性。此项研究定义了小鼠中BEN蛋白家族的新成员BEND2，阐释了BEND2参与减数分裂进程的机制，填补了BEN蛋白家族在配子发生领域研究的空白。
中国科学院动物研究所韩春生研究员、实验动物中心主任多曙光为论文共同通讯作者。中国科学院动物研究所博士后马龙飞，博士生谢丹为论文共同第一作者。合作者还包括武汉大学基础医学院的罗孟成教授。
原文链接：http://doi.org/10.1126/sciadv.abn1606