自私基因在消除竞争中既是毒药又是解药

2020-11-30 95基因相关

自私基因在消除竞争中既是毒药又是解药。来自Stowers医学研究所的研究人员与Fred Hutchinson癌症研究中心的研究人员合作,发现了一种前所未有的基因生存策略,这将是阿加莎-克里斯蒂谋杀悬疑小说中的家常便饭。

自私基因在消除竞争中既是毒药又是解药

在2017年6月20日发表在《eLife》上的报告中,共同第一作者、Stowers博士后研究员Nicole Nuckolls和María Angélica Bravo Núñez、研究负责人Sarah Zanders博士及其同事详细介绍了在S.kambucha裂变酵母中发现的wtf4基因是如何作为一种毒药和解毒剂来确保其传入下一代,并消除其竞争的。

wtf基因是自私的基因--寄生基因,其唯一的目的是为了生存和传播。具体来说,wtf4基因是一个减数分裂驱动的自私基因。它干扰减数分裂的过程--细胞分裂的形式,创造出有性细胞,称为配子,如卵子和精子。

配子只包含每条染色体的一个拷贝。产生配子的细胞含有两个拷贝:每个亲本的一条染色体。在减数分裂过程中,每个拷贝都以相等的数量传递给配子。例如,具有X和Y染色体的男性会产生50%的X染色体和50%的Y染色体精子。

然而,当减数分裂驱动基因发挥作用时,它们可以通过破坏不携带它们的配子来堆积对自己有利的机会。例如,如果男性的X染色体上有一个杀配子的减数分裂驱动基因,那么携带Y染色体的精子就会被杀死--消除一半的精子竞争受精卵。矛盾的是对于自私的基因来说,这个过程会导致不孕不育。

研究人员发现,wtf基因毒害了它们的猎物

自私基因在消除竞争中既是毒药又是解药,"wtf自私基因采用的策略是毒害所有发育中的配子,但又把解药留给自己,"Stowers助理研究员Zanders说。"继承自私基因的配子也会接触到毒药,但它们不会屈服于毒药,因为它们有解药。而没有继承自私基因的配子则会被摧毁。"

Zanders将这一机制比作谋杀悬疑小说中的晚宴,包括主人在内的所有人都被毒死了,但主人有解药。

研究人员在早先的一项研究中发现了裂变酵母中多个独立减数分裂驱动力的作用,2014年报告在《eLife》上,但不知道哪些基因是负责任的,也不知道它们是如何摧毁没有继承这些基因的配子的。为了了解更多,Zanders和她的同事们利用基因图谱揭示了S.kambucha的3号染色体上多个减数分裂驱动基因的复杂景观。

他们发现,wtf基因制造了两种不同的RNA信息--一个短信息(编码毒药)和一个长信息(编码解毒剂)。他们将毒药蛋白标记为绿色,解毒剂蛋白标记为红色,并在减数分裂期间对细胞进行成像。

"在这些图像中,我们可以非常清楚地看到毒药无处不在,因此每个细胞都暴露在毒药之下,"Zanders说。"但解毒剂只存在于继承了wtf基因的孢子中。"

缺乏wtf基因的配子就会死亡。Zanders说,他们的遗传学实验和成像研究相结合,提供了充分的证据,证明wtf基因既能制造毒药又能制造解药。研究人员还发现,wtf4是一个自私基因大家族的成员,而且至少还有一个wtf基因也会导致减数分裂的驱动力,这说明这个家族是由于减数分裂驱动力而增殖的。

从进化的角度来看,这些发现特别有趣

"wtf基因制造的毒药有可能杀死一切,包括他们自己。这是很危险的。拥有这第二种成分是一种解毒剂,并保持解毒剂的私密性,是他们想出如何选择性地消除竞争的方式。"

她补充说,这项研究扩大了我们目前对配子杀死减数分裂驱动基因的性质以及它们如何导致不孕的理解。该发现还可能指导未来在其他生物体中发现减数分裂驱动基因,如作物或人类。

"像wtf基因这样的减数分裂驱动系统有可能被用来消灭害虫种群或促进理想性状在自然种群中的传播,"Zanders说。

引用

Stowers Institute for Medical Research. "Selfish gene acts as both poison and antidote to eliminate competition." ScienceDaily. ScienceDaily, 20 June 2017. www.sciencedaily.com/releases/2017/06/170620093209.htm.

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