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百年之謎解開(kāi)：性細(xì)胞如何獲得正確的基因組合
使用超分辨率顯微鏡對(duì)擬南芥減數(shù)分裂細(xì)胞進(jìn)行成像，顯示藍(lán)色為 DNA，紅色為蛋白質(zhì) HEI10，綠色為 ZYP1，黃色為 ASY1。來(lái)源：約翰英尼斯中心 一項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)解釋了是什么決定了性細(xì)胞中發(fā)生的遺傳交換的數(shù)量和位置，例如植物的花粉和卵子，或人類(lèi)的精子和卵子。 當(dāng)性細(xì)胞通過(guò)一種稱(chēng)為減數(shù)分裂的特殊細(xì)胞分裂產(chǎn)生時(shí)，染色體會(huì)交換大量DNA 片段。這確保了每個(gè)新細(xì)胞都具有獨(dú)特的基因組成，并解釋了為什么除了同卵雙胞胎之外，沒(méi)有兩個(gè)兄弟姐妹在基因上是完全相似的。這些 DNA 交換或交叉對(duì)于產(chǎn)生遺傳多樣性、進(jìn)化的驅(qū)動(dòng)力以及它們?cè)谌旧w上的頻率和位置受到嚴(yán)格控制是必不可少的。 該研究的共同第一作者克里斯·摩根博士解釋了這一現(xiàn)象的重要性：“交叉定位對(duì)進(jìn)化、生育和選擇性育種具有重要意義。通過(guò)了解驅(qū)動(dòng)交叉定位的機(jī)制，我們更有可能發(fā)現(xiàn)修改交叉定位的方法，以改進(jìn)當(dāng)前的動(dòng)植物育種技術(shù)。” 盡管進(jìn)行了一個(gè)多世紀(jì)的研究，但決定交叉形成的位置和數(shù)量的細(xì)胞機(jī)制仍然很神秘，這個(gè)謎團(tuán)讓許多杰出的科學(xué)家著迷和沮喪。“交叉干擾”一詞是在 1915 年創(chuàng)造的，描述了當(dāng)交叉發(fā)生在染色體上的一個(gè)位置時(shí)，它會(huì)抑制附近交叉的形成。 使用數(shù)學(xué)建模和“3D-SIM”超分辨率顯微鏡的尖端組合，約翰英內(nèi)斯中心研究人員團(tuán)隊(duì)通過(guò)確定一種確保交叉數(shù)量和位置“恰到好處”的機(jī)制，解決了這個(gè)百年之謎: 不要太多，不要太少，不要太靠近。 該團(tuán)隊(duì)研究了一種名為 HEI10 的蛋白質(zhì)的行為，該蛋白質(zhì)在減數(shù)分裂的交叉形成中起著不可或缺的作用。超分辨率顯微鏡顯示 HEI10 蛋白沿著染色體聚集，最初形成許多小群體。然而，隨著時(shí)間的推移，HEI10 蛋白只集中在少數(shù)更大的簇中，一旦它們達(dá)到臨界質(zhì)量，就會(huì)觸發(fā)交叉形成。 然后將這些測(cè)量結(jié)果與模擬這種聚類(lèi)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行比較，該模型基于 HEI10 分子的擴(kuò)散及其聚類(lèi)的簡(jiǎn)單規(guī)則。該數(shù)學(xué)模型能夠解釋和預(yù)測(cè)許多實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果，包括可以通過(guò)簡(jiǎn)單地改變 HEI10 的量來(lái)可靠地修改交叉頻率。 共同第一作者 John Fozard 博士解釋說(shuō)：“我們的研究表明，來(lái)自擬南芥生殖細(xì)胞超分辨率圖像的數(shù)據(jù)與擬南芥交叉模式的數(shù)學(xué)‘擴(kuò)散介導(dǎo)粗化’模型一致。該模型幫助我們了解沿減數(shù)分裂染色體的交叉模式。” 這項(xiàng)工作建立在約翰英尼斯中心使用植物作為模式生物來(lái)研究遺傳學(xué)的保守和基本方面的遺產(chǎn)之上。1930 年代，JIC 校友 JBS Haldane 和 Cyril Darlington 也研究了同樣的過(guò)程。該模型還支持另一位著名的 JIC 校友 Robin Holliday 在 1970 年代所做的預(yù)測(cè)。 通訊作者 Martin Howard 教授補(bǔ)充說(shuō)：“這項(xiàng)工作是跨學(xué)科研究的一個(gè)很好的例子，其中需要前沿實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)建模來(lái)解鎖機(jī)制的核心。一個(gè)令人興奮的未來(lái)途徑將是評(píng)估我們的模型是否能夠成功地解釋其他不同生物體的交叉模式。” 這項(xiàng)研究對(duì)于小麥等谷類(lèi)作物特別有價(jià)值，因?yàn)樵谶@些作物中，交叉大多局限于染色體的特定區(qū)域，從而阻止了這些植物的全部遺傳潛力可供植物育種者使用。 文章出自：科信儀器 轉(zhuǎn)載時(shí)必須以鏈接形式注明作者和原始出處及本聲明。
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