減數(shù)分裂從開始到8小時(每排)。左邊和中間兩列分別顯示孢子發(fā)育時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)動系統(tǒng)提供了新的見解。

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

2022年12月7日發(fā)表在《PLOS Genetic》上的一項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現(xiàn)其功能，并可能促進了其長期進化的成功。這一策略對于研究類似系統(tǒng)的科學家來說是一個重要的補充，包括設計用于致病害蟲控制的合成驅(qū)動系統(tǒng)的團隊。在了解驅(qū)動方面的集體和協(xié)作進步可能有一天會導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制和分布以及毒素的表達。在減數(shù)分裂開始時，這兩種蛋白質(zhì)都被表達。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)學研究所

斯托爾斯副研究員Sarah Zanders博士說:“對基因組來說，編碼一種能夠殺死生物體的蛋白質(zhì)是相當危險的。然而，了解這些自私元素的生物學特性可以幫助我們構(gòu)建合成驅(qū)動力來改變自然種群。”

驅(qū)動基因是自私的基因，它們在種群中傳播的速度比大多數(shù)其他基因都要快，而對機體沒有好處。Zanders實驗室之前的研究表明，酵母中的一種驅(qū)動基因wtf4能產(chǎn)生能夠摧毀所有后代的毒蛋白。然而，對于給定的親本細胞的染色體對，當wtf4只在一條染色體上被發(fā)現(xiàn)時，驅(qū)動就實現(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，同時拯救那些繼承了驅(qū)動等位基因的后代。

在這項工作的基礎上，由前博士預科研究員Nicole Nuckolls博士和現(xiàn)任博士預科研究員Ananya Nidamangala Srinivasa在Zanders實驗室領(lǐng)導的這項研究發(fā)現(xiàn)，從wtf4中產(chǎn)生毒素和解毒劑蛋白的時間差異以及它們在發(fā)育中的孢子中的獨特分布模式是驅(qū)動過程的基礎。

該團隊開發(fā)了一個模型，他們正在繼續(xù)研究毒藥如何殺死孢子(相當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，可能會破壞細胞功能所需的其他蛋白質(zhì)的正確折疊。因為wtf4基因同時編碼毒藥和解藥，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，而解毒劑蛋白只在整個囊中以低濃度出現(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，但不控制解毒劑的表達。這種開關(guān)對酵母繁殖至關(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:“我們認為這些東西存在了這么長時間的原因之一是，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)。”

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

參考:

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