性染色体的进化之路

　　

生物通报道：从生物学角度，地球上每个物种都至少有两个异性，雄性和雌性。但是说到真菌和其他微生物时，性别可复杂多了。隐球菌科（Cryptococcus）的一些成员光交配类型就有成千上万种之多。

8月11日《PLOS Biology》的一篇在线文章中，来自杜克大学的研究人员绘制了让致病型隐球菌从许多性别转化为2个性别的进化转折点。他们发现，在进化过程中一个被称为“易位（translocation）”的DNA改组将单独的性别决定基因块集中到了单个染色体上，本质上该染色体的角色相当于人类的X染色体或Y染色体。

更令人惊讶的是，他们发现这些关键的易位的发生部位在着丝粒（centromeres）。该染色体区域非常致密，以至于它们曾被排除于重组之外。

杜克大学医学院教授、分子遗传学和微生物学主席Joseph Heitman博士说“着丝粒的重组频率不高，但是为了应和生物体进化，它不得不经常发生。随着每次易位，基因组被一次又一次地改变，直到进化出一个全新的物种”。

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一个多世纪以来，科学家们一直在研究性染色体的进化。1960年代，日裔美籍遗传学家Susumu Ohno提出了一个理论：决定性别的基因首先出现在整个基因组的各种分散位点，随着时间推移，它们才被最终“捕获”到性染色体上。对人类来说，它们是X和Y染色体；对鸟类来说，它们被称为Z和W染色体；在苔藓中，它们是U和V染色体。

无论物种或命名，Heitman认为，一些普遍的通用原则可能掌管着所有性染色体的进化。他和来自其他国家存在相同观点的研究人员将目光聚焦在了一种人类病原体隐球菌（Cryptococcus neoformans）和它的最近亲缘种非致病菌Cryptococcus amylolentus的最后一个共同祖先。

C. amylolentus中，数十种基因定位在染色体的两个不同位置，共同控制着一个被称为四极（tetrapolar或four-part）的交配系统。其中一个定位被称为P/R，该处的基因编码信息素和信息素受体，帮助真菌识别兼容的交配类型。另一个被称为HD位点，该处的基因控制型结构和生殖孢子发育。

研究人员测序了C. amylolentus的整个基因组，包括全部的14条染色体和它们的着丝粒。

他们发现，比对两个物种，至少5000万年前C. neoformans和C. amylolentus两个物种还存在着一个共同祖先，之后它们的基因组经历了相当多的重排，例如，C. neoformans的1号染色体包含C. amylolentus四个不同染色体的片段，为多重易位（其中一些发生在着丝粒）提供了证据。

杜克大学医学院助理教授、该项目的第一作者Sheng Sun博士说：“这个结果非常令人惊讶。教条的观点认为，着丝粒处的重组通常受到抑制，然而我们却找到了此处频繁发生重组的实在证据。”

早在1980年代，杜克大学的Tom Petes开创性的发表论文证明酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的着丝粒可以发生重组，但是一些人将这项发现归因于个例。自此以后，大量为了证明“着丝粒重组”是普遍现象的研究逐渐开展。

时至今日，本文展示更古老的C. amylolentus的P/R位点存在于10号染色体，HD位点在11号染色体；更进化的C. neoformans的这些位点却出现在了相同位置。根据他们的模型，多重易位将两个性别决定因子放在了同一个染色体上，中间隔着一个着丝粒。随后的重排使P/R和HD彼此相邻。结果造就了一个具有双极交配系统的生物体。

“由于最后的共同祖先早已灭绝，因此许多已发生的进化事件我们几乎无从知晓。基因组学像一只无形的手，带领我们回到过去，追寻进化的轨迹，”Heitman说。“这项研究表明，其他正在积极寻找易位和染色体重排的科学家们也应关注着丝粒，这些重排也可能是人类出生缺陷和癌症的常见原因。”

目前Heitman和同事们正在用相似的手段调查其他真菌家族的性染色体进化历程。

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原文标题：Fungal genome and mating system transitions facilitated by chromosomal translocations involving intercentromeric recombination

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