Sci:自私的基因改写遗传学基本定律 着丝粒大染入卵传

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