清華新聞網(wǎng)11月6日電 基因的遺傳通常遵循孟德爾分離定律，即等位基因在有性生殖過程中以相同的概率傳遞給后代。然而，基因組中存在一些特殊基因，它們能夠打破這一規(guī)則，以更高的頻率遺傳給下一代。這種現(xiàn)象被稱為減數(shù)分裂驅(qū)動（meiotic drive）。造成這一現(xiàn)象的一類自私遺傳因子通過選擇性地殺傷不攜帶自身的配子，從而確保自己能夠優(yōu)先遺傳給后代。由于這種獨特的作用機制，它們被稱為殺手減數(shù)分裂驅(qū)動因子（killer meiotic driver）。這類因子在真核生物中普遍存在，是導(dǎo)致雜交不親和的關(guān)鍵因素，并被認為是物種形成的重要推動力。盡管如此，我們對殺手減數(shù)分裂驅(qū)動因子在基因?qū)用娴恼J識仍然非常有限，對其分子機制的了解更是不足。
11月1日，清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院杜立林實驗室與中國科學(xué)院生物物理研究所葉克窮實驗室合作，在《美國國家科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，PNAS）在線發(fā)表兩篇研究論文，揭示了一種新的殺手減數(shù)分裂驅(qū)動因子的分子機制。在第一篇題為“一個減數(shù)分裂驅(qū)動程序劫持了一個表觀遺傳閱讀器來破壞非載體后代的有絲分裂”（A meiotic driver hijacks an epigenetic reader to disrupt mitosis in noncarrier offspring）的論文中，研究人員發(fā)現(xiàn)，在裂殖酵母中，一個此前被認為是細胞生長所必需的基因?qū)嶋H上是一種殺手減數(shù)分裂驅(qū)動因子。研究揭示，該基因通過其毒性產(chǎn)物“劫持”細胞中的組蛋白結(jié)合蛋白來破壞有絲分裂，從而殺傷不攜帶該基因的后代。在第二篇題為“結(jié)構(gòu)二元性使單一蛋白質(zhì)能夠作為減數(shù)分裂驅(qū)動的毒素解毒劑對”（Structural duality enables a single protein to act as a toxin–antidote pair for meiotic drive）的論文中，研究人員進一步揭示了該殺手基因的選擇性殺傷機制：它能利用同一蛋白產(chǎn)物的兩種不同構(gòu)象，形成一個"毒藥-解藥"系統(tǒng)。在這一系統(tǒng)中，雖然毒藥會影響所有配子，但只有攜帶該基因的配子能夠產(chǎn)生解藥來中和毒性，從而實現(xiàn)對不攜帶該基因的配子的選擇性殺傷。
裂殖酵母通常以單倍體形式進行無性生長，但在營養(yǎng)缺乏時會進行有性生殖。單倍體細胞交配形成二倍體，隨后通過減數(shù)分裂產(chǎn)生四個單倍體孢子。這些孢子在營養(yǎng)充足的環(huán)境中會重新開始無性生長。研究人員發(fā)現(xiàn)一個被認為是“必需基因”的裂殖酵母基因在單倍體中敲除后并不影響細胞生長，在二倍體中純合敲除的情況下，后代也正常存活。然而，在二倍體中雜合敲除時，不攜帶該基因的后代無法存活（圖1）。因此，研究人員判斷這個基因并非細胞生存所必需，而是一個殺手減數(shù)分裂驅(qū)動因子，并將其命名為tdk1（transmission-distorting killer）。
圖1.tdk1基因是一個殺手減數(shù)分裂驅(qū)動因子
在真菌中，已知的殺手減數(shù)分裂驅(qū)動因子通常在孢子階段表現(xiàn)出殺傷行為，因此被稱為“孢子殺手”。然而，tdk1展現(xiàn)出一種新的殺傷模式。活細胞成像顯示，tdk1不在孢子階段殺傷，而是在孢子萌發(fā)后的第一次有絲分裂中顯現(xiàn)其殺傷效果，阻礙染色體的正常分離（圖2）。
圖2.tdk1在雜合敲除二倍體后代中導(dǎo)致不攜帶自身的細胞染色體分離異常
對裂殖酵母天然菌株中的tdk1基因的分析發(fā)現(xiàn)了一種失去殺傷能力的HT3變體，它帶有六個氨基酸變異。通過有性生殖階段的鄰近標記實驗，研究人員發(fā)現(xiàn)乙酰化組蛋白結(jié)合蛋白Bdf1能與野生型Tdk1蛋白相互作用，卻不與HT3變體結(jié)合。進一步研究表明，結(jié)合Bdf1對tdk1的殺傷能力至關(guān)重要。利用冷凍電鏡技術(shù)，研究人員觀察到Tdk1的羧基端區(qū)域形成三聚體，然后繼續(xù)二聚化形成六聚體，并與Bdf1相互作用（圖3左）。而HT3變體在與Bdf1結(jié)合的關(guān)鍵區(qū)域發(fā)生了點突變，導(dǎo)致其喪失了殺傷能力。
有趣的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，Tdk1在孢子中會形成包含數(shù)千個分子的超分子聚合體，并與Bdf1相互作用。但在無性生長階段，Tdk1不形成超分子聚合體，也不與Bdf1結(jié)合，對細胞沒有毒性。進一步分析揭示，在無性生長階段，Tdk1以四聚體形式存在（圖3右），這種形式無法與Bdf1發(fā)生相互作用。
圖3.Tdk1蛋白有兩種不同構(gòu)象
研究人員還揭示了Tdk1利用Bdf1發(fā)揮殺傷作用的過程。Tdk1超分子聚合體利用Bdf1的組蛋白結(jié)合能力導(dǎo)致染色體異常粘連，從而阻礙染色體分離。在不攜帶tdk1基因的后代中，這種超分子聚合體持續(xù)存在，并在孢子萌發(fā)后的有絲分裂過程中阻礙染色體分離，導(dǎo)致細胞死亡（圖4）。而在攜帶tdk1基因的后代中，新合成的Tdk1不僅無毒，還能拆解在孢子中形成的Tdk1超分子聚合體，確保染色體正常分離。
圖4.tdk1選擇性殺傷的“毒藥–解藥”模型
綜上所述，曾被誤認為是“必需基因”的tdk1基因，實際上是一種殺手減數(shù)分裂驅(qū)動因子。該基因通過所編碼蛋白的兩種不同構(gòu)象，構(gòu)建了一個“毒藥–解藥”系統(tǒng)。在tdk1+/tdk1Δ雜合二倍體減數(shù)分裂時，所有后代孢子中都產(chǎn)生了Tdk1的毒性構(gòu)象。在不攜帶tdk1基因的后代中，Tdk1毒性構(gòu)象持續(xù)存在，并通過劫持組蛋白結(jié)合蛋白破壞孢子萌發(fā)后的有絲分裂，從而造成殺傷；而在攜帶tdk1基因的后代中，新合成的Tdk1作為“解藥”中和先前形成的Tdk1“毒藥”，保護細胞免受殺傷（圖4）。這些研究成果不僅發(fā)現(xiàn)了一種新的殺手減數(shù)分裂驅(qū)動因子，還闡明了其獨特的殺傷機制，首次揭示單一蛋白能通過可變蛋白結(jié)構(gòu)組成“毒藥–解藥”系統(tǒng)。這些發(fā)現(xiàn)對深入理解減數(shù)分裂驅(qū)動現(xiàn)象具有重要意義。
杜立林實驗室的華余博士、葉克窮實驗室的張建秀博士以及杜立林實驗室的2019級博士生楊曼蕓和張凡一（第一篇）為共同第一作者；杜立林研究員、葉克窮研究員和華余博士共同擔(dān)任兩篇論文的通訊作者。其他作者包括杜立林實驗室的任靜怡、呂曉暉、丁彥、索芳、邵光燦、李俊，葉克窮實驗室的梁凌飛，以及清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院董夢秋研究員。研究得到國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、國家重點研發(fā)計劃、北京生命科學(xué)研究所和清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院資助，在北京生命科學(xué)研究所與中科院生物物理研究所完成。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1073/pnas.2408347121
https://doi.org/10.1073/pnas.2408618121
供稿：生物醫(yī)學(xué)交叉研究院
題圖設(shè)計：李柳依
編輯：李華山
審核：郭玲
