染色体如何“欺骗”进入卵子的机会

鞍山视线 刘 欣2019-05-18 11:39:27
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每个细胞包含两个23个染色体的拷贝,一个遗传自您的父亲,一个遗传自您的母亲。从理论上讲,当你创造一个配子 - 一个精子或一个鸡蛋 - 每个副本有50-50的射击传递。但现实并非如此明确。

染色体如何“欺骗”进入卵子的机会

科学家们已经观察到,染色体可以“作弊”,从而使它们成为性细胞的可能性降低。现在,来自宾夕法尼亚大学的一个团队已经证明了这种偏见是如何在女性细胞中产生的。通过对小鼠卵母细胞(卵的前体)的仔细观察和实验,他们检测到分子信号,这些信号在驱动减数分裂的机器中产生不对称性,细胞分裂过程产生配子。研究人员发现,某些染色体利用这种不对称性在分裂过程中将自身移动到细胞的“右侧”,并在卵子中结束。

通过揭示减数分裂常见且知之甚少的方面,这些发现可能会导致对减数分裂的更好的一般理解,包括错误的出现方式和原因。染色体在减数分裂过程中如何与配子分离的错误是一些流产和唐氏综合症等病症的根本原因。

“如果我们了解这些自私元素如何利用减数分裂的机制,那么我们将更深入地了解这一过程是如何起作用的,”宾夕法尼亚大学艺术与科学学院生物学副教授,资深作者Michael Lampson说。在研究上。

Lampson与实验室成员Takashi Akera,LukášChmátal,Emily Trimm和Karren Yang,以及Charles M. Schultz,Charles和William L. Day杰出生物学教授合作;David Chenoweth,化学系副教授;Chenoweth实验室成员Chanat Aonbangkhen;和法国居里居住区的Carsten Janke。他们的研究发表在“科学”杂志上。

数十年来,科学家们已经意识到遗传因素似乎在减数分裂过程中会参与竞争,因为一些传播给配子的速度始终高于机会所要求的速度。这种偏向传输的术语是“减数分裂驱动”。

“通常我们会考虑在自然选择和适者选择方面的自私基因,”兰普森说。“这可能意味着一个让你活得更长或更多繁殖或杀死你的敌人的基因更有可能被传承。但我们也可以在基因本身的水平上思考自私。在这种情况下,基因与每个基因竞争。另外,为了进入配子。虽然我们有证据证明这可能发生,但我们并不真正理解它是如何发生的。“

对于有偏差的传播,宾夕法尼亚大学的研究小组推断,细胞分裂的物理机制必须能够实现。在雌性的情况下,减数分裂的最后阶段导致产生一个成为活卵的细胞和另一个称为极体的细胞,其通常被降解。

研究人员选择专注于细胞分裂机制,研究减数分裂纺锤体,由附着在染色体上的微管构成的结构,在细胞分裂之前将它们拉到细胞的两侧。

观察小鼠卵母细胞中的微管,他们发现了一种称为酪氨酸化的修饰的不平衡分布:细胞的蛋侧比另一侧的蛋侧更少,更接近所谓的皮质。当纺锤体从细胞中间向皮质移动时,这种不对称性仅存在于减数分裂阶段。

“这告诉我们,无论设置什么信号,酪氨酸修饰都来自皮层,”兰普森说。“接下来的问题是,那是什么信号?”

研究人员已经获得了一些关于细胞皮质侧表达增加的分子的信息,其中包括一种名为CDC42的分子。为了测试这种分子是否有助于不对称的酪氨酸化,研究人员使用了Lampson和Chenoweth先前设计的实验系统,该系统使用光敏测定法在极的一侧选择性地富集CDC42。他们的结果表明,CDC42至少部分地负责诱导酪氨酸化不对称性,从而诱导分裂细胞中纺锤体的不对称性。

宾夕法尼亚大学的研究人员确定存在不对称性及其产生的方式后,开始表明这种不对称性使得染色体能够作弊。他们通过关注着丝粒来实现这一目标,着丝粒是附着在纺锤体上的染色体区域。穿过两株小鼠,它们在每只细胞中都有两种着丝粒的动物,一只较大,一只较小。

从小组早期的工作中,他们知道较大的着丝粒已知优先传递给配子。在目前的工作中,他们证实更大,更“强壮”的着丝粒确实更有可能走向成为卵子的细胞的极点。

当研究人员通过突变CDC42和其他靶标来消除纺锤体不对称时,着丝粒方向的偏差消失了。

“这将主轴不对称与染色体或着丝粒实际上作弊的想法联系起来,”兰普森说。

但是这个结果也提出了这样一个问题:当着丝粒在它们的方向上变得偏向时,因为纺锤体在细胞中间开始,此时着丝粒已经以无偏见的方式附着。不对称和偏向着丝粒附着发生较晚。

输入翻转着丝粒。利用小鼠卵母细胞的实时成像,研究人员发现,“较强”的着丝粒比较弱的着丝粒更容易脱离纺锤体,如果它们朝向细胞的皮质侧,则特别容易脱落,可能是为了翻转并将自己重新定位到细胞的蛋极。较弱的着丝粒很少分离,并且对细胞的一侧或另一侧没有偏好。

“如果你是一个自私的着丝器而且你面对错误的方式,你需要放手让你可以面对另一条路,”兰普森说。“这就是你赢的方式。”

在未来的工作中,兰普森和他的团队希望进一步探索着丝粒的哪些特征使它们变得强弱。

“这项工作为我们提供了一些关于着丝粒偏向传播的良好信息,但它也带来了大量其他问题,”兰普森说。“为什么我们的着丝粒看起来像他们一样,他们如何进化以赢得这些比赛?这些是我们仍然不太了解的基本生物学问题。”