自私的基因,卵細胞的染色體如何作弊傳遞到下一代?

作者 | 發布日期 2017 年 11 月 28 日 14:36 | 分類 生物科技 follow us in feedly

在小鼠卵母細胞中,來自極化細胞皮層的訊號會調控微管蛋白的絡胺酸化(trypsination),在減數分裂時會產生不對稱的紡錘體。這種不對稱被自私的基因因子拿來利用,增加進入卵子內的機會。



人類的每一個細胞都含有 23 對染色體,其中一套來自父親,一套來自母親。根據遺傳學之父孟德爾的分離律,染色體的等位基因會在形成配子(精子與卵子的統稱)時分離,分離到哪一個細胞的機會應該是五五波。不過最近一篇刊登在《科學》(Sicence)期刊上的研究成果卻指出,事實並非如此理想。

數十年來,科學家已意識到基因因子似乎會在減數分裂的過程中彼此競爭進入配子的機會,而卵子似乎給了這些自私的基因因子很好的機會,因為卵母細胞在減數分裂時會形成卵細胞和極體(polar bodies),只有前者會繼續存活,而後者則會降解。而染色體自然會偏好進入卵細胞。「如果我們理解這些自私的基因因子是怎麼利用減數分裂的機制,那我們就能更深入了解這項過程。」論文的資深作者、也是賓夕法尼亞大學藝術與科學學院助理教授麥可‧蘭普森(Michael Lampson)說。「通常我們會想到這是天擇演化下的結果,意味著這些能幫你活更久、繁殖更多後代、幫忙殺死敵人的基因可能更容易傳承下去。但我們猜想,也許基因本身就是自私的,在這種情況下基因彼此競爭以進入配子,而儘管我們有證據可以證明這件事會發生,我們仍然不太了解發生的原因。」

研究者轉而將焦點放在細胞分裂的機制上,他們開始研究紡錘體,紡錘體是由微管組成,可以接到染色體並將它們分離到細胞的兩側,而在小鼠卵母細胞(卵子的前驅細胞)中紡錘體會比較靠近細胞皮層那一側,這樣一來就可以產生比較大的卵和小的極體。接著他們發現小鼠的微管蛋白有局部分布的修飾作用,名叫酪胺酸化(tyrosination),細胞中靠近卵那側的修飾作用比細胞皮層那側還要少。

「這告訴我們有一種不知名訊號會調控來自皮層的酪胺酸化修飾,下個問題就是:這個訊號是什麼?」蘭普森說。

有助更加了解減數分裂

他們找到了在細胞皮層那側會增加表現量的分子,它稱做 CDC42,他們設計實驗證明 CDC42 會增加微管蛋白的酪胺酸化,並認為這就是調控紡錘體不對稱的分子。接下來他們要找出紡錘體不對稱是如何讓染色體作弊的。而這次他們的目光移向染色體的著絲粒,這是染色體和紡錘體連接的區域。他們利用雜交的方式培育出一種具有兩種類型著絲粒的小鼠,一種較強一種較弱。較強的著絲粒會有更多的著絲點蛋白(在著絲點兩側的 3 層盤化特殊結構,紡錘絲會附著在著絲點上並牽引染色體移動),以及更多著絲粒可以結合的區域。而他們確認更強的染色體會偏好朝向靠近卵的那側。

當他們藉由突變 CDC42 使紡錘體不對稱的情況消失後,著絲粒的偏好也消失了。「這將染色體作弊的想法和紡錘體不對稱連結起來了。」蘭普森說。不過紡錘體是怎麼做到的呢?原來較大的著絲點如果在細胞靠近皮層的那一側,它們會更容易從紡錘體脫離,然後反轉重新將自己導向靠近卵的那一側;而相對較小的著絲粒則秉持中立立場,並不會有這種偏好情況發生。

「假設你是個自私的著絲粒,當你知道你面對的方向是錯誤的,你就會懂得放手,這樣你就可以另求他路。這就是你『贏』得競爭的方法。」蘭普森說。

蘭普森和他的團隊希望在未來可以進一步探索導致著絲粒強弱差異的原因。「這項成果告訴我們著絲粒有著偏好性反轉的資訊,不過也帶來不計其數的問題。比如說為什麼著絲粒看起來是這樣呢?它們又是如何演化以贏得競爭的呢?這些是我們至今仍不明白的生物學問題。」蘭普森說。

這項發現或許也可以讓我們對減數分裂有更深入的了解。包括錯誤是如何發生的,尤其導致某些疾病(例如唐氏症)的根本原因就發生在減數分裂時染色體分離到配子的過程。期待有一天科學家會陸續給予我們滿意的答案。

(首圖來源:University of Pennsylvania)