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百年之谜解开:性细胞如何获得正确的基因组合

拟南芥减数分裂细胞

使用超分辨率显微镜对拟南芥减数分裂细胞进行成像,显示蓝色为 DNA,红色为蛋白质 HEI10,绿色为 ZYP1,黄色为 ASY1。来源:约翰英尼斯中心

一项新发现解释了是什么决定了性细胞中发生的遗传交换的数量和位置,例如植物的花粉和卵子,或人类的精子和卵子。

当性细胞通过一种称为减数分裂的特殊细胞分裂产生时,染色体会交换大量DNA 片段。这确保了每个新细胞都具有独特的基因组成,并解释了为什么除了同卵双胞胎之外,没有两个兄弟姐妹在基因上是完全相似的。这些 DNA 交换或交叉对于产生遗传多样性、进化的驱动力以及它们在染色体上的频率和位置受到严格控制是必不可少的。

该研究的共同第一作者克里斯·摩根博士解释了这一现象的重要性:“交叉定位对进化、生育和选择性育种具有重要意义。通过了解驱动交叉定位的机制,我们更有可能发现修改交叉定位的方法,以改进当前的动植物育种技术。”

尽管进行了一个多世纪的研究,但决定交叉形成的位置和数量的细胞机制仍然很神秘,这个谜团让许多杰出的科学家着迷和沮丧。“交叉干扰”一词是在 1915 年创造的,描述了当交叉发生在染色体上的一个位置时,它会抑制附近交叉的形成。

使用数学建模和“3D-SIM”超分辨率显微镜的尖端组合,约翰英内斯中心研究人员团队通过确定一种确保交叉数量和位置“恰到好处”的机制,解决了这个百年之谜: 不要太多,不要太少,不要太靠近。

该团队研究了一种名为 HEI10 的蛋白质的行为,该蛋白质在减数分裂的交叉形成中起着不可或缺的作用。超分辨率显微镜显示 HEI10 蛋白沿着染色体聚集,最初形成许多小群体。然而,随着时间的推移,HEI10 蛋白只集中在少数更大的簇中,一旦它们达到临界质量,就会触发交叉形成。

然后将这些测量结果与模拟这种聚类的数学模型进行比较,该模型基于 HEI10 分子的扩散及其聚类的简单规则。该数学模型能够解释和预测许多实验观察结果,包括可以通过简单地改变 HEI10 的量来可靠地修改交叉频率。

共同第一作者 John Fozard 博士解释说:“我们的研究表明,来自拟南芥生殖细胞超分辨率图像的数据与拟南芥交叉模式的数学‘扩散介导粗化’模型一致。该模型帮助我们了解沿减数分裂染色体的交叉模式。”

这项工作建立在约翰英尼斯中心使用植物作为模式生物来研究遗传学的保守和基本方面的遗产之上。1930 年代,JIC 校友 JBS Haldane 和 Cyril Darlington 也研究了同样的过程。该模型还支持另一位著名的 JIC 校友 Robin Holliday 在 1970 年代所做的预测。 

通讯作者 Martin Howard 教授补充说:“这项工作是跨学科研究的一个很好的例子,其中需要前沿实验和数学建模来解锁机制的核心。一个令人兴奋的未来途径将是评估我们的模型是否能够成功地解释其他不同生物体的交叉模式。”

这项研究对于小麦等谷类作物特别有价值,因为在这些作物中,交叉大多局限于染色体的特定区域,从而阻止了这些植物的全部遗传潜力可供植物育种者使用。

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