Sci:自私的基因改写遗传学基本定律 着丝粒大染入卵传

邓文龙

Science：自私的基因改写遗传学基本定律  着丝粒较大的染色体入卵传下  着丝粒大染入卵传下

中文来源：学术经纬 2017-11-06 09:13



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？

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。”

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，酪氨酸化的微管显着更多。这一奇妙的现象由细胞内的CDC42蛋白所决定。

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？

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。”

《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？(生物谷Bioon.com）

http://news.bioon.com/article/6712572.html



（華成旅行最便宜 03-3833-9823)

顾汉现

《科学》：细思恐极！你的诞生可能不是一场意外，而是基因「有意」为之

来源：奇点网 2017-11-13 10:24

人是什么？生命有意义吗？人类终将走向何方？

英国著名的演化生物学家理理查德·道金斯选择在其着作《自私的基因》一书中表达了自己的观点。他认为，生命是基因创造的生存机器，人类不过是基因的载体，保存它们才是我们存在的终极理由。生命短暂，而基因不朽。

而基因之所以自私，是因为它们只顾自己能更好的生存，在自然选择的条件下，随机突变不断的进化，不管这一进化是否适合宿主生存。而现在，科学家发现，基因的自私不仅仅停留在自然选择层面。为了自己的生存，一些基因居然会主动选择将自己的“同类”残忍消灭掉。

按照我们高中生物课本的知识。哺乳动物在产生卵子的过程中需要进行减数分裂，而在减数分裂的过程中，我们卵母细胞中的两套染色体会有一套进入极体，继而被降解掉，而另一套染色体则会进入卵子内，传递给后代。同时，按照经典的孟德尔遗传定律，这两套染色体进入卵母细胞的机会应该是相同的，都是 50%。

而近日，来自宾夕法尼亚大学的 Michael Lampson 教授与他的团队首次证明，哺乳动物卵母细胞内的某些自私的基因在减数分裂的过程中，存在“作弊”行为。这些基因为了能够进入卵子从而传递给后代，会“主动感知”自己在卵母细胞中的位置，一旦发现自己要被“淘汰”，就会主动切断与纺锤体的连接，要求重新分配位置，以增加自己进入卵子的机会。这一发现发表在《科学》杂志上（1）。

打个比方，这就像是两人玩石头剪刀布，赢了的才有机会活下去。结果第一次你赢了，但是你的对手耍赖了，不认账，并强烈要求重来一次，不管你同意不同意。很明显，那个自私的人，活下去的机会更大。

这一发现还得从 2001 年说起。当时，Carmen Sapienza 博士等人在总结前人的研究时发现，哺乳动物在进行减数分裂时，染色体的分离并不是随机的（2）。也就是说，哺乳动物两套染色体进入卵子的几率并不是相等的，总有某些染色体在减数分裂的过程中，有更大的几率进入卵子。可是当时他们并不清楚其中的原因。

直到近年来，一系列的研究表明，哺乳动物在进行减数分裂的过程中，染色体不随机分离现象与着丝粒密切相关。在减数分裂时，这些着丝粒为了获取“生存”的权利，它们之间存在着激烈的竞争（3）。

着丝粒其实就是染色体上的一段 DNA 序列，由大量的重复 DNA 片段组成，是哺乳动物细胞内最丰富的非编码 DNA，在卵母细胞进行减数分裂的过程中，着丝粒负责与纺锤体相连，介导染色体的分离。

近年来，科学家们发现，着丝粒上的 DNA 序列中积累了大量的 DNA 突变以及碱基缺失，并且在快速的进化，使其 DNA 长度变得更长，DNA 重复片段变得更多（4）。同时，着丝点的 DNA 序列越长，其包含的 DNA 重复片段越多时，其所结合的着丝粒蛋白也就越多。这种着丝粒被称为强着丝粒，因为这种着丝粒具有更大的几率进入卵子以存活下去（5）。但是，其中的具体机制尚不清楚。

着丝粒

为了确定其中的原因，Lampson 教授开始了本次实验。

通过将包含强着丝粒的老鼠与包含弱着丝粒的小鼠杂交，Lampson 教授得到了可以同时生成包含强、弱着丝粒卵母细胞的小鼠。随后在对 23 个同时包含强、弱着丝粒的卵母细胞的减数分裂过程进行观察时，Lampson 教授惊奇的发现，有 21 个卵母细胞，其染色体不是随机分离的。

具体来说，23 个卵母细胞中，有 21 个卵母细胞在减数分裂时，包含强着丝粒的染色体，在靠近极体时，会主动切断自己与纺锤体之间的连接，并随即切断弱着丝粒与纺锤体之间的连接，然后重新分配二者在卵母细胞中的位置，并重新与纺锤体建立连接，最终使自己进入卵母细胞的几率大大增加。

那么强着丝粒是如何做到这一点的呢？

Lampson 教授发现，之所以会出现这一现象，是因为，在小鼠卵母细胞上即将形成极体继而被降解的那一侧，存在着大量的 CDC42 蛋白，这种蛋白可以将连接纺锤体以及着丝粒的微管蛋白酪氨酸化，使之变得脆弱。

同时，强着丝粒对于 CDC42 蛋白介导的酪氨酸化非常敏感，因此，在靠近极体的时候，强着丝粒与纺锤体之间的连接就会逐渐变弱，而弱着丝粒几乎完全不受 CDC42 蛋白的影响，只会听从“命运”的安排。

因此，当强着丝粒发现自己要被“淘汰”时，就会主动切断与纺锤体之间的连接，并迫使相应的弱着丝粒与纺锤体之间的连接也断开，然后重新分配。所以，强着丝粒才会有更大的几率生存下去。

强着丝粒（大蓝点）在发现自己靠近极体时（左边黑色实线），会主动断开与纺锤体之间的连接，并要求重新分配

至于为什么强着丝粒对于 CDC42 蛋白更加敏感，目前还不清楚。但是无可否认，这是着丝粒这一自私基因用来“作弊”的工具之一。

事实上，科学家早就发现了我们的基因中，最丰富的一类基因其实不包含任何生物功能，这类基因被称为自私 DNA，因为它们目前已知的功能就是到处传播自己，保证自己的生存。而着丝粒，其实是这类 DNA 中数目最多分布最广的一类（6）。

这也意味着，我们人体内最丰富的基因，其实一直都只是在为了自己的生存而“默默”斗争，不惜违反“公平”的游戏规则，竭力保全自己。而至于我们人类的存在，或许只是这些基因“大发慈悲”，为自己更好的生存而“略施小惠”。所以终有一天，当这些基因发现我们并不适合它们“居住”时，它们可能会毫不犹豫的主动选择放弃我们，以寻找更好的宿主。（生物谷Bioon.com）

参考资料：

1.Akera T， Chmátal L， Trimm E， et al. Spindle asymmetry drives non-Mendelian chromosome segregation[J]. Science， 2017， 358(6363)： 668-672.

2.De Villena F P M， Sapienza C. Nonrandom segregation during meiosis： the unfairness of females[J]. Mammalian Genome， 2001， 12(5)： 331-339.

3.Rosin L F， Mellone B G. Centromeres drive a hard bargain[J]. Trends in Genetics， 2017.

4.Melters D P， Bradnam K R， Young H A， et al. Comparative analysis of tandem repeats from hundreds of species reveals unique insights into centromere evolution[J]. Genome biology， 2013， 14(1)： R10.

5.Iwata-Otsubo A， Dawicki-McKenna J M， Akera T， et al. Expanded satellite repeats amplify a discrete CENP-A nucleosome assembly site on chromosomes that drive in female meiosis[J]. Current Biology， 2017， 27(15)： 2365-2373. e8.

6.http://science.sciencemag.org/content/358/6363/594

http://news.bioon.com/article/6712905.html