看完这篇《Science》我竟无言以对,居然连性细胞都有偏见了!

【字体: www.ebiotrade.com 时间:2017年11月6日 来源:生物通

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  人类细胞的23条染色体有两个拷贝,一个拷贝来自父亲,另一个来自母亲。理论上,当你准备好繁殖后代时,你创建的配子(精子或卵子)的每个副本都有50%的几率传给你的孩子。但现实真的如此吗?最新《Science》有关非孟德尔染色分离的文章可能有你想要的答案。

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宾夕法尼亚大学的研究小组通过小鼠卵母细胞(卵细胞的前身)实验,发现了一个驱动减数不对称分裂的分子信号。证明女性卵细胞存在“右倾”偏见。

几十年来,科学家们冥冥之中感觉到减数分裂过程中的各种遗传因素似乎参与了一场无声的战斗。因为,有些基因传递的几率高于“偶然概率”,这一现象的专业术语是“减数分裂驱动或比偏移(meiotic drive)”

“我们一般优先考虑外在影响驱动的自私基因,意味着这些基因可能使你活得更长,或繁殖更多,或杀死更多敌人,或更容易被传播等等,”宾大文理学院副教授、文章通讯作者Michael Lampson说。“但另一方面,我们认为也有可能是基因本身的问题,基因自身是通过竞争进入精子/卵子的。虽然种种迹象表明,这很有可能,但我们并没有真正理解它的发生机理。”研究小组推断,这可能是细胞分裂时的一种物理机制。

染色体的牵引绳——纺锤体

对雌性来说,减数分裂的最后阶段一个细胞会变成活卵子,另一个细胞(通常被称作极体)则会退化。往前溯源,两种细胞形成前,细胞内的纺锤体(meiotic spindle)结构附着在不同染色体上,将最终分属于两个细胞的染色体拉至细胞对侧。

研究人员观察小鼠卵母细胞组成纺锤体的微管(microtubules),发现了微管“tyrosination(酪氨酸化)”控制的不平衡分布:与靠近皮质部(cortex)的相比,靠近卵子一边的酪氨酸修饰比较少。这种不对称现象仅在减数分裂期纺锤体从细胞中部向皮质部方向移动时出现。

“这说明酪氨酸化信号应该来自皮质部方向,”Lampson说。“下一个问题,什么信号?”

细胞发出的分裂指示灯——信号分子

通过检测细胞皮质部侧表达量增加的分子,研究人员找到了一些线索。其中,有个名叫CDC42的关键分子。为了测试CDC42是否能导致不对称的酪氨酸化,研究人员用光敏试验设计了在一极选择性富集CDC42的实验系统。结果证明,在某种程度上,CDC42诱导了酪氨酸化不对称,使纺锤体带有一定偏见地分裂细胞。

纺锤体和染色体的连接纽扣——着丝粒

研究人员杂交了两个拥有不同类型(一种大,一种小)着丝粒(centromeres)的小鼠品系。此前,课题组证明大着丝粒会被优先分配给配子。这篇文章,他们在小鼠中证明,大而强势的着丝粒确实更容易走向形成卵子的一极。下载全方位模式生物服务攻略手册

当研究人员通过突变CDC42和其他靶点,消除了纺锤体修饰不对称性后,这种着丝粒的定位偏见也随之消失。“所以说,染色体或者着丝粒影响减数分裂对称与否的概念只是表面的假象,”Lampson说。

这一结果进一步引发了科学家们的思考。着丝粒什么时候变得具有了方向感和位置取向?当纺锤体开始向两边移动时,哪个点是带方向偏好的着丝粒和不对等分裂的转折点?

采用小鼠卵母细胞活体成像,研究人员发现,强势的着丝粒更容易从纺锤丝上脱落,并且与弱势的相比,如果强势的着丝粒被牵引着朝细胞皮质部移动时,它们的脱离意愿更强烈。科学家们推测它可能是想翻个身朝卵子一极移动。弱势着丝粒就不存在这种明显的两极偏好。

“一个自私的着丝粒如果被牵引到不喜欢的方向了,它就会提前放手,这样才有机会向正确的方向移动,”Lampson说。“这就是染色体的竞争法则。”

Lampson团队希望进一步探索影响着丝粒附着强弱的特征。观察着丝粒的工作方式以及它们如何为了生存演化赢得比赛。

尽管减数分裂过程还有很多待解之谜,但是科技力量引领人类一次又一次刷新认知视野,希望随着配子形成时染色体分离机制的解开,科学家们能找到导致流产、唐氏综合症等错误分配相关疾病的根本原因。

原文检索:
Takashi Akera, Lukáš Chmátal, Emily Trimm, Karren Yang, Chanat Aonbangkhen, David M. Chenoweth, Carsten Janke, Richard M. Schultz, Michael A. Lampson. Spindle asymmetry drives non-Mendelian chromosome segregation. Science, 2017 DOI: 10.1126/science.aan0092

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