減數(shù)分裂從開始到8小時(shí)(每排)。左邊和中間兩列分別顯示孢子發(fā)育時(shí)解毒劑和毒素蛋白的分布情況。右列為孢子發(fā)育過程中毒物(青色)和解毒劑(洋紅色)的組合分布。自私基因的研究為減數(shù)分裂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供了新的見解。

斯托爾斯醫(yī)學(xué)研究所的新發(fā)現(xiàn)揭示了一種危險(xiǎn)的自私基因(被認(rèn)為是DNA的寄生部分)如何發(fā)揮作用和存活的關(guān)鍵見解。了解這一動(dòng)態(tài)是更廣泛的社區(qū)研究減數(shù)分裂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的寶貴資源。

2022年12月7日發(fā)表在《PLOS Genetic》上的一項(xiàng)新研究揭示了酵母中的自私基因如何使用毒藥解毒劑策略來實(shí)現(xiàn)其功能，并可能促進(jìn)了其長期進(jìn)化的成功。這一策略對(duì)于研究類似系統(tǒng)的科學(xué)家來說是一個(gè)重要的補(bǔ)充，包括設(shè)計(jì)用于致病害蟲控制的合成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的團(tuán)隊(duì)。在了解驅(qū)動(dòng)方面的集體和協(xié)作進(jìn)步可能有一天會(huì)導(dǎo)致消滅危害作物甚至在病媒傳播疾病情況下危害人類的害蟲種群。

插圖描述解毒劑的機(jī)制和分布以及毒素的表達(dá)。在減數(shù)分裂開始時(shí)，這兩種蛋白質(zhì)都被表達(dá)。后來，解毒劑只存在于孢子外，而毒蛋白則無處不在。最后，繼承wtf4的成熟孢子含有毒素和解毒劑，而其他孢子則被破壞。圖源:斯托爾斯醫(yī)學(xué)研究所

斯托爾斯副研究員Sarah Zanders博士說:“對(duì)基因組來說，編碼一種能夠殺死生物體的蛋白質(zhì)是相當(dāng)危險(xiǎn)的。然而，了解這些自私元素的生物學(xué)特性可以幫助我們構(gòu)建合成驅(qū)動(dòng)力來改變自然種群?！?/p>

驅(qū)動(dòng)基因是自私的基因，它們?cè)诜N群中傳播的速度比大多數(shù)其他基因都要快，而對(duì)機(jī)體沒有好處。Zanders實(shí)驗(yàn)室之前的研究表明，酵母中的一種驅(qū)動(dòng)基因wtf4能產(chǎn)生能夠摧毀所有后代的毒蛋白。然而，對(duì)于給定的親本細(xì)胞的染色體對(duì)，當(dāng)wtf4只在一條染色體上被發(fā)現(xiàn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)就實(shí)現(xiàn)了。其效果是通過傳遞一種非常相似的蛋白質(zhì)來抵消毒素，即解毒劑，同時(shí)拯救那些繼承了驅(qū)動(dòng)等位基因的后代。

在這項(xiàng)工作的基礎(chǔ)上，由前博士預(yù)科研究員Nicole Nuckolls博士和現(xiàn)任博士預(yù)科研究員Ananya Nidamangala Srinivasa在Zanders實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，從wtf4中產(chǎn)生毒素和解毒劑蛋白的時(shí)間差異以及它們?cè)诎l(fā)育中的孢子中的獨(dú)特分布模式是驅(qū)動(dòng)過程的基礎(chǔ)。

該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)模型，他們正在繼續(xù)研究毒藥如何殺死孢子(相當(dāng)于酵母中的人類卵子或精子)。他們的結(jié)果表明，毒蛋白聚集在一起，可能會(huì)破壞細(xì)胞功能所需的其他蛋白質(zhì)的正確折疊。因?yàn)閣tf4基因同時(shí)編碼毒藥和解藥，所以解藥在形式上非常相似，并與毒藥組合在一起。然而，解毒劑有一個(gè)額外的部分，似乎可以將解毒劑集群隔離開來，將它們帶到細(xì)胞的垃圾桶，液泡中。

為了了解自私基因在繁殖過程中是如何發(fā)揮作用的，研究人員觀察了孢子形成的開始階段，發(fā)現(xiàn)毒蛋白在所有發(fā)育中的孢子及其周圍的囊中都有表達(dá)，而解毒劑蛋白只在整個(gè)囊中以低濃度出現(xiàn)。在發(fā)育后期，解毒劑在從母本酵母細(xì)胞繼承了wtf4的孢子中富集。

研究人員發(fā)現(xiàn)，繼承了驅(qū)動(dòng)基因的孢子在孢子內(nèi)制造了額外的解毒劑蛋白，以中和毒素并確保它們的存活。

研究小組還發(fā)現(xiàn)，一種控制孢子形成過程中許多其他基因的特殊分子開關(guān)也控制著wtf4基因中毒性的表達(dá)，但不控制解毒劑的表達(dá)。這種開關(guān)對(duì)酵母繁殖至關(guān)重要，并且與wtf4有著不可分割的聯(lián)系，這有助于解釋為什么這種自私的基因如此成功地避開了宿主禁用開關(guān)的任何嘗試。

Nidamangala Srinivasa說:“我們認(rèn)為這些東西存在了這么長時(shí)間的原因之一是，它們使用了這種狡猾的策略，即利用酵母繁殖的相同基本開關(guān)?！?/p>

Nuckolls說:“如果我們能操縱這些DNA寄生蟲在蚊子體內(nèi)表達(dá)，并驅(qū)動(dòng)它們的毀滅，這可能是控制害蟲物種的一種方法?！?/p>

參考:

S. pombe wtf drivers use dual transcriptional regulation and selective protein exclusion from spores to cause meiotic drive