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自私基因既是毒药又是解毒剂可以消除竞争

2019-06-15 15:00:20 • 来源：

来自Stowers医学研究所的研究人员与Fred Hutchinson癌症研究中心的研究人员合作，已经确定了一种前所未有的遗传生存策略，这种策略在Agatha Christie谋杀神秘小说中就位于家中。

自私基因既是毒药又是解毒剂可以消除竞争

在2017年6月20日发布的eLife报告中，共同第一作者和Stowers Predoctoral Researchers Nicole Nuckolls和MaríaAngélicaBravoNúñez，研究负责人Sarah Zanders博士及其同事详细介绍了wtf4基因在S. kambucha中的发现裂殖酵母既是毒药又是解毒剂，可确保其传播到下一代，并消除其竞争。

Wtf基因是自私基因- 寄生基因，其唯一目的是生存和传播。具体地，wtf4基因是减数分裂驱动的自私基因。它会干扰减数分裂的过程 - 细胞分裂形成的细胞分裂，称为配子，如卵子和精子。

配子只包含每个染色体的一个拷贝。产生配子的细胞含有两个拷贝：来自每个亲本的一个染色体。在减数分裂期间，每个拷贝以相同的数量传输给配子。例如，具有X和Y染色体的雄性产生50%的X-携带和50%的Y-携带精子。

然而，当减数分裂驱动基因起作用时，它们可以通过破坏不携带它们的配子来叠加对它们有利的几率。例如，如果雄性在其X染色体上具有杀配配子的减数分裂驱动基因，则携带Y染色体的精子被杀死 - 消除一半精子竞争使卵子受精。矛盾的是，对于自私的基因来说，这个过程会导致不孕。

研究人员发现wtf基因毒害它们的猎物。

“自私基因使用的策略是毒害所有正在发育的配子，但随后为自己保留解毒剂，”Stowers助理研究员Zanders说。“继承自私基因的配子也暴露于毒药，但它们并没有因为它们有解药而屈服于它。并且不会遗传自私基因的配子被破坏了。”

Zanders将这种机制比作一部谋杀神秘小说中的晚宴，其中包括主人在内的每个人都被毒死，但主人有解毒剂。

研究人员在2014年eLife报道的早期研究中发现了多种独立减数分裂驱动因子在裂殖酵母中的作用，但不知道哪些基因是负责任的，或者它们是如何破坏未遗传基因的配子。为了了解更多信息，Zanders和她的同事利用遗传图谱揭示了S. kambucha3号染色体上多个减数分裂驱动基因的复杂景观。

他们发现wtf基因产生了两种不同的RNA信息 - 一条短信息(编码毒药)和一条长信息(编码解毒剂)。他们将毒蛋白绿色和解毒蛋白标记为红色，并在减数分裂过程中对细胞进行成像。

“在那些图像中，我们可以非常清楚地看到毒药无处不在，所以每个细胞都暴露在毒药中，”赞德斯说。“但解毒剂仅存在于遗传wtf基因的孢子中。”

缺乏wtf基因的配子死亡。Zanders说，他们的遗传学实验和成像研究的结合提供了充足的证据表明wtf基因同时成为毒药和解毒剂。研究人员还发现，wtf4是一大群自私基因的成员，并且至少还有一个其他wtf基因也会导致减数分裂驱动，这表明该家族由于减数分裂驱动而增殖。

Zanders说，从进化的角度来看，这些发现特别有趣。

“wtf基因产生的毒药有可能杀死一切，包括它们自己。这是有风险的。让第二个成分解毒，并保持解毒剂的私密性，就是他们想出如何有选择地消除竞争的方式。”

她补充说，这项研究扩展了我们目前对配子杀灭减数分裂驱虫基因的性质的理解，以及它们如何促成不孕症。该发现还可以指导未来在其他生物(例如作物或人类)中发现减数分裂驱动基因。

“像wtf基因这样的减数分裂驱动系统可能会被用来根除害虫种群或促进自然种群中所需特性的传播，”Zanders说。

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