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Science雄文颠覆教科书!自私的基因改写遗传学基本定律

http://www.cphi.cn   2017-11-06 10:52 来源:转载

本周,来自宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)的Michael Lampson教授与他的团队用无可辩驳的事实证明,一些染色体会“欺骗”细胞,打破平衡,增加自己进入生殖细胞的概率,背后的机制则涉及一类自私的基因元件。这篇颠覆性的论文发表在了《科学》杂志上。

       每个人的体细胞内都有23对染色体,一半来自父亲,一半来自母亲。我们又会将这些染色体通过减数分裂,让其中一半进入生殖细胞,传给下一代。依照教科书上的遗传学经典定律,一对染色体的分配过程是随机的,每一条染色体都有50%的机会,非常公平。

       但随着分子生物学的发展,人们对减数分裂有了更详尽的认识。科学家们通过观察和分析,发现了一个奇怪的现象——表面上情同手足的染色体,背地里似乎有着竞争关系。有一些染色体能略胜一筹,更容易进入生殖细胞,将自己的基因传递下去。难道说,教科书上的知识已经过时,需要更新吗?

       ▲Michael Lampson教授团队的研究要对教科书内容作出修改了(图片来源:宾夕法尼亚大学官方网站)

       是的!本周,来自宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)的Michael Lampson教授与他的团队用无可辩驳的事实证明,一些染色体会“欺骗”细胞,打破平衡,增加自己进入生殖细胞的概率,背后的机制则涉及一类自私的基因元件。这篇颠覆性的论文发表在了《科学》杂志上。

       “通常我们认为自私的基因只发生在自然选择层面,让自然挑选出最适合生存的个体。这意味着能让你活更久,生出更多后代,或者更容易杀死敌人的基因更容易得到传承,” Lampson教授说道:“但基因在自身层面也可以变得自私。为了进入合子,基因会相互竞争。尽管我们有证据表明这会发生,我们一直没有真正弄明白它是如何发生的。”

       ▲“自私的基因”是著名学者道金斯教授提出的概念,几十年过去了,它依旧有鲜活的生命力(图片来源:亚马逊)

       在这项研究中,研究人员的实验对象是小鼠的卵母细胞。这类细胞在减数分裂时,子细胞会有两种截然不同的命运:一类子细胞会最终成为卵子,将染色体上的基因传给后代;另一类子细胞则会成为极体,它们最终会被降解。这款模型能让科学家们一眼看出哪些染色体的竞争力更强,更容易进入生殖细胞。

       研究人员们推测,染色体是进入卵子还是进入极体,最终还是要取决于细胞分裂的分子机器——纺锤体。这类结构由大量微管组成。研究人员发现,在显微镜下看似公平、对称分布的微管,在实质上有着很大不同:形成卵子的那一侧,微管上的酪氨酸修饰较少;而在形成极体的那一侧,酪氨酸化的微管显著更多。这一奇妙的现象由细胞内的CDC42蛋白所决定。

       ▲纺锤体中的微管看似对称,生化本质有着很大不同(图片来源:《科学》)

       先前,一些研究表明染色体上的着丝粒尺寸可能会影响到染色体的“竞争力”,决定哪些染色体能最终进入生殖细胞。有意思的是,着丝粒正是染色体和纺锤体微管相结合的区域。这一下子就把先前的发现和研究人员的最新观察结果联系到了一块儿。难道说,这些微管修饰水平的不同,竟然是决定染色体往后代传递的关键?

       为了验证这个想法,研究人员构建了一种特殊的小鼠模型。它们体内一半染色体的着丝粒较大,一半染色体的着丝粒较小。依照先前的研究,着丝粒较大的染色体更容易得到传承,这一结果也得到了重复。而当研究人员们突变掉细胞内的CDC42基因后,生殖细胞对大尺寸着丝粒的偏好消失了。这说明由CDC42负责的纺锤体微管不对称修饰,的确是染色体展现自私本质的关键。

       但让研究人员们百思不得其解的是,在减数分裂中,无论染色体的着丝粒是大是小,它们最初联会的过程是随机而公平的。一些染色体又是如何自私自利,在减数分裂中抢占有利位置的呢?

       ▲为了抢占有利位置,着丝粒较大的染色体也是蛮拼的(图片来源:《科学》)

       使用实时摄影技术,研究人员们发现,那些着丝粒较大的染色体一旦发现自己的位置不利,就会与酪氨酸化的微管断开联系,然后努力翻转到细胞的另一边,试图勾搭上去酪氨酸化的微管,给自己安排一个美好的未来。那些着丝粒较小的染色体则比较乐天安命,无论自己处于细胞的哪一边,都默默接受了自己的命运。最终,它们也更可能被时光所淘汰。

       “如果你是一个自私的着丝粒,并发现自己对着错误的方向,你就需要赶紧松手,跑到另一边去,” Lampson教授说:“只有这样,你才能赢。”

       ▲同期《科学》杂志专文介绍了这项研究(图片来源:《科学》)

       《科学》杂志对这项研究有很高的评价。同期的评论文章认为这是目前为止最为详细的分子机制,用来解释DNA序列如何能够决定自己在减数分裂中的命运,并传递到后代中去。未来,Lampson教授与他的团队计划进一步阐明着丝粒中决定染色体命运的关键。

       物竞天择,适者生存。在我们出生之前,染色体尚且需要依靠竞争才能上位。作为体内这些染色体的宏观代言人,我们还好意思不努力吗?

       参考资料:

       [1] Spindle asymmetry drives nonMendelian chromosome segregation

       [2] Competing chromosomes explain junk DNA

       [3] How chromosomes 'cheat' for the chance to get into an egg

       

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基因 遗传学 Science
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