減數(shù)分裂從開(kāi)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(guò)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(jiàn)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(jiàn)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(lái)實(shí)現(xiàn)其功能，并可能促進(jìn)了其長(zhǎng)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(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的補(bǔ)充，包括設(shè)計(jì)用于致病害蟲(chóng)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(chóng)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(kāi)始時(shí)，這兩種蛋白質(zhì)都被表達(dá)。后來(lái)，解毒劑只存在于孢子外，而毒蛋白則無(wú)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(shuō):“對(duì)基因組來(lái)說(shuō)，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(lái)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(méi)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(guò)傳遞一種非常相似的蛋白質(zhì)來(lái)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(guò)程的基礎(chǔ)。

該團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(kāi)來(lái)，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(guò)程中是如何發(fā)揮作用的，研究人員觀察了孢子形成的開(kāi)始階段，發(fā)現(xiàn)毒蛋白在所有發(fā)育中的孢子及其周?chē)哪抑卸加斜磉_(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(guò)程中許多其他基因的特殊分子開(kāi)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(kāi)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(kāi)了宿主禁用開(kāi)關(guān)的任何嘗試。

Nidamangala Srinivasa說(shuō):“我們認(rèn)為這些東西存在了這么長(zhǎng)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(kāi)關(guān)?！?/p>

Nuckolls說(shuō):“如果我們能操縱這些DNA寄生蟲(chóng)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(chóng)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