“自私的遗传因素”——超基因对基因组造成巨大破坏

罗彻斯特大学的生物学家利用群体基因组学研究了一种自私的“超基因”，它会扭曲遗传。

　　

罗切斯特大学的研究人员利用果蝇作为模型生物来研究分离失调(SD，Segregation Distorter )，这是一种自私的基因元素，使其遗传分离偏离孟德尔遗传分离规则，扭曲了公平遗传传递。“自私的基因元素”使人类基因组杂乱无章。它们似乎对寄主没有好处，而只是寻求自我繁殖，甚至会造成严重破坏。例如，它们会扭曲性别比例，损害生育能力，导致有害的突变，甚至可能导致种群灭绝。

生物学家首次利用群体基因组学揭示了一种自私的基因元素——分离失调(SD)的进化和后果。罗切斯特大学的研究人员包括生物学副教授Amanda Larracuente和大学生物学系主任Daven Presgraves在最近发表在《eLife》杂志上的一篇论文中报告说，SD导致了染色体组织和遗传多样性的巨大变化。

科学家们利用果蝇作为模型生物来研究分离失调(SD)如何扭曲了公平遗传传递的规则。果蝇实际上有70%的致病基因与人类相同，而且由于它们的繁殖周期很短——不到两周——研究人员能够在相对较短的时间内培育出一代又一代果蝇。正如孟德尔遗传定律所预期的那样，雌性果蝇将感染了SD的染色体传递给大约50%的后代。然而，雄性几乎百分之百地将SD染色体传递给他们的后代，因为SD会杀死任何不携带自私基因元素的精子。

SD如何做到这一点?

几十年来，科学家们已经知道SD进化形成了一种超基因—— 一群位于同一条染色体上的自私基因被遗传在一起。但这是他们第一次使用所谓的群体基因组学——研究群体中个体之间的DNA序列变异的全基因组模式——来研究动态、进化以及SD对基因组进化的长期影响。Presgraves说:“这是第一次对SD染色体的整个基因组进行测序，因此能够推断出作为一个超基因的历史和基因组后果。”

一个即将到来的进化衰落

作为超基因的优势在于，多个基因可以共同作用，导致SD近乎完美地传递给后代。然而，正如研究人员发现的那样，作为一个超基因存在着主要的缺陷。在有性繁殖中，来自母亲和父亲的染色体交换遗传物质，产生每个后代独有的新的遗传组合。在大多数情况下，染色体正确排列和交叉重组。科学家们早就认识到，通过交叉重组交换遗传物质是至关重要的，因为它使自然选择能够消除有害突变，并使有益突变得以传播。

然而，正如研究人员所表明的那样，SD近乎完美的传输的主要代价之一是它不能进行重组。自私的基因元素通过关闭重组来获得短期的传播优势，以确保它能传递给所有的后代。但是SD并不是前瞻性的:与正常染色体相比，阻止重组已经导致SD积累了更多的有害突变。

Larracuente说:“如果没有重组，自然选择就不能有效地清除有害的突变，所以它们可以在SD染色体上积累。这些突变可能会破坏基因的功能或调节。”重组的缺乏也可能导致SD的进化失败。“由于缺乏重组，SD染色体已经开始出现进化退化的迹象。”

参考资料:“Epistatic selection on a selfish Segregation Distorter supergene – drive, recombination, and genetic load” by Beatriz Navarro-Dominguez, Ching-Ho Chang, Cara L Brand, Christina A Muirhead, Daven C Presgraves and Amanda M Larracuente, 29 April 2022, eLife.
DOI: 10.7554/eLife.78981