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百年之謎解開(kāi):性細胞如何獲得正確的基因組合

擬南芥減數分裂細胞

使用超分辨率顯微鏡對擬南芥減數分裂細胞進(jìn)行成像,顯示藍色為 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

一項新發(fā)現解釋了是什么決定了性細胞中發(fā)生的遺傳交換的數量和位置,例如植物的花粉和卵子,或人類(lèi)的精子和卵子。

當性細胞通過(guò)一種稱(chēng)為減數分裂的特殊細胞分裂產(chǎn)生時(shí),染色體會(huì )交換大量DNA 片段。這確保了每個(gè)新細胞都具有獨特的基因組成,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 交換或交叉對于產(chǎn)生遺傳多樣性、進(jìn)化的驅動(dòng)力以及它們在染色體上的頻率和位置受到嚴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象的重要性:“交叉定位對進(jìn)化、生育和選擇性育種具有重要意義。通過(guò)了解驅動(dòng)交叉定位的機制,我們更有可能發(fā)現修改交叉定位的方法,以改進(jìn)當前的動(dòng)植物育種技術(shù)。”

盡管進(jìn)行了一個(gè)多世紀的研究,但決定交叉形成的位置和數量的細胞機制仍然很神秘,這個(gè)謎團讓許多杰出的科學(xué)家著(zhù)迷和沮喪。“交叉干擾”一詞是在 1915 年創(chuàng )造的,描述了當交叉發(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。

使用數學(xué)建模和“3D-SIM”超分辨率顯微鏡的尖端組合,約翰英內斯中心研究人員團隊通過(guò)確定一種確保交叉數量和位置“恰到好處”的機制,解決了這個(gè)百年之謎: 不要太多,不要太少,不要太靠近。

該團隊研究了一種名為 HEI10 的蛋白質(zhì)的行為,該蛋白質(zhì)在減數分裂的交叉形成中起著(zhù)不可或缺的作用。超分辨率顯微鏡顯示 HEI10 蛋白沿著(zhù)染色體聚集,最初形成許多小群體。然而,隨著(zhù)時(shí)間的推移,HEI10 蛋白只集中在少數更大的簇中,一旦它們達到臨界質(zhì)量,就會(huì )觸發(fā)交叉形成。

然后將這些測量結果與模擬這種聚類(lèi)的數學(xué)模型進(jìn)行比較,該模型基于 HEI10 分子的擴散及其聚類(lèi)的簡(jiǎn)單規則。該數學(xué)模型能夠解釋和預測許多實(shí)驗觀(guān)察結果,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)自擬南芥生殖細胞超分辨率圖像的數據與擬南芥交叉模式的數學(xué)‘擴散介導粗化’模型一致。該模型幫助我們了解沿減數分裂染色體的交叉模式。”

這項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(zhù)名的 JIC 校友 Robin Holliday 在 1970 年代所做的預測。 

通訊作者 Martin Howard 教授補充說(shuō):“這項工作是跨學(xué)科研究的一個(gè)很好的例子,其中需要前沿實(shí)驗和數學(xué)建模來(lái)解鎖機制的核心。一個(gè)令人興奮的未來(lái)途徑將是評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。”

這項研究對于小麥等谷類(lèi)作物特別有價(jià)值,因為在這些作物中,交叉大多局限于染色體的特定區域,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。

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