酵母通过16条染色体融合成两条来生长

2020-11-09 512酵母菌

一项刚刚发表在《自然》杂志上的研究发现酵母通过16条染色体融合成两条来生长,面包酵母在经历了一次剧烈的重组后存活和生长,重组的不是它们的基因,而是染色体的上层结构,这些结构是用来储存、保护和控制它们的DNA代码的通路。

酵母通过16条染色体融合成两条来生长

在纽约大学医学院的领导下,一个研究小组分阶段将染色体融合在一起,直到一种单细胞真菌Saccharomyces cerevisiae中的6000个基因被包含在两条巨大的染色体中,而不是每个细胞核中自然存在的16条。研究人员还发现,如果从每个 "父母 "那里继承的染色体数量相差过大,这种酵母菌的成员就无法再制造出有生命力的生殖细胞。

研究作者说,为了实现酵母菌的某些希望的、未来的应用--比如回收农业废弃物来制造燃料,或者通过补充牲畜饲料来对抗饥饿,在酵母菌株之间进行这样的 "生殖隔离 "工程是必须的。这样的努力将需要创造出可以释放到田间的菌株,但这些菌株无法与天然存在的酵母交配以改变生态系统。

在未来进一步,更好地了解染色体如何在性细胞中复制和分配--酵母中的孢子;人类中的卵子和精子--可能会提出应对错误的方法,这些错误导致过短、过长、缺失或额外的染色体在人类细胞中传递。这类事件是流产和智力迟钝的主要原因,包括唐氏综合症,其中胚胎收到了人类第21条染色体的额外拷贝。酵母菌的染色体与人类的染色体足够相似,可以作为研究的良好模型。

"我们发现,酵母可以容忍染色体数目的剧烈变化,而不会破坏其中基因的作用,这更加证明了它们作为工程平台的稳健性,"高级研究作者、纽约大学朗格尼健康系统遗传学研究所所长Jef Boeke博士说。"除了应用之外,这项工作还揭示了整个进化过程中偶然的染色体重复和融合的野生轨迹,这使得一个蚂蚁物种只有一对染色体,人类有23对,一个蝴蝶物种有220对。我们正在学习一个物种如何变成两个物种。"

十六进二

酵母通过16条染色体融合成两条来生长,研究结果涉及到染色体,即大型蛋白质束,在接收到正确的信号后,它们会展开,使细胞机器读取到每个细胞类型中手头工作所需的DNA指令。所有的染色体在细胞分裂前复制整个遗传密码的时候都会解开,即一个细胞变成两个细胞。这样的分裂要么在生长过程中产生更多基因相同的细胞(有丝分裂),要么进一步将母细胞的染色体进行轮回分裂(减数分裂),产生有性细胞,然后可以与其他有性细胞结合,创造新的生物体。

当细胞准备分裂时,使每个产生的细胞都能得到它应有的DNA份额,新复制的染色体由称为中心点的特殊DNA组连接起来,形成具有四个染色体 "臂 "的染色体对。每条手臂都被称为端粒的DNA集所覆盖,这些DNA集可以防止酶的破坏,否则会损坏暴露的尖端。

目前的研究作者使用著名的CRISPR-Cas9基因编辑技术,从完整的酵母染色体组(基因组)中切割出14条中心体和28条端粒。在没有这些端粒或中心体的情况下,剩余的DNA链分步融合,直到只剩下两条,每条DNA链都包含了大约一半的S.cerevisiae物种的遗传物质。

有趣的是,该团队无法生成仅有一条染色体对容纳其所有基因的活体酵母菌株。作者说,这可能是因为在新菌株中运作的两条大染色体的臂,每条约590万个DNA分子字母(碱基),接近最大长度极限。超过这个长度,手臂就有可能在细胞分裂时被剪掉末端。

值得注意的是,研究人员发现,染色体最大尺寸是自然界中所见染色体最大尺寸的四倍的酵母,通过有丝分裂以与自然株系大致相同的速度存活、分裂和繁殖(生长)。

然而,当研究小组从染色体数目不同的酵母菌株的杂交中提取后代,然后诱导杂交后代通过减数分裂制造性细胞时,随着其父母染色体数目的差异越来越大,这下一代产生有活力孢子的能力下降了。研究小组推测,这是因为这种性细胞内的染色体不再排成一排,使DNA在细胞分裂过程中能够正常分裂,使一些人的DNA剂量出现致命的异常。

实验表明,染色体数目相差8条,比如说经过8次融合,就足以让一个工程株与祖先物种不发生杂交,实现对设想中的应用非常重要的生殖隔离。当一个物种的两个成员不能再进行杂交时,它们就不能再混合DNA,并随着时间的推移积累不同的基因变化。Boeke说,这就开始了它们成为不同物种的过程。

引用

NYU Langone Health / NYU School of Medicine. "Yeast grow -- but can't always breed -- with their 16 chromosomes fused into two: Insights into how sex cells fail, and how one species becomes two." ScienceDaily. ScienceDaily, 1 August 2018. www.sciencedaily.com/releases/2018/08/180801160017.htm.

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