所謂的 “垃圾”DNA 是必不可少的,在物種形成中起著關鍵作用

來源: 生物360 / 作者: 2021-09-27
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我們的基因組有 10% 以上是由重復的、看似毫無意義的、被稱為衛星 DNA 的遺傳物質組成的,這些遺傳物質不為任何蛋白質編碼。過去,一些科學家把這種 DNA 稱為 “基因組垃圾”。

在一系列的文件生成的幾年里, 然而, 懷特黑德研究所成員 Yukiko 山下先生和他的同事們提出, 衛星 DNA 不是垃圾, 而是細胞具有重要作用: 它與細胞蛋白保持一個細胞的所有個體的染色體在一個核。

現在,在 7 月 24 日在線發表于《分子生物學與進化》雜志上的最新一期研究中,山下和前博士后研究員、目前是瑞士蘇黎世聯邦理工學院助理教授的 Madhav Jagannathan 進一步推進了這些研究,提出衛星 DNA 使染色體組織系統成為可能是來自不同物種的生物體無法產生可存活后代的原因之一。

“七八年前,當我們決定研究衛星 DNA 時,我們并沒有研究進化的計劃,” 山下說。他還是麻省理工學院 (Massachusetts Institute of Technology) 的生物學教授,同時也是霍華德 · 休斯醫學研究所 (Howard Hughes Medical Institute) 的研究員?!斑@是科學研究中一個非常有趣的部分: 當你沒有一個先入之見時,你只需要跟隨線索,直到你遇到完全意想不到的東西?!?/p>

研究人員多年前就知道,衛星 DNA 在不同物種之間存在很大差異。她說:“如果你觀察黑猩猩的基因組和人類的基因組,你會發現它們的蛋白質編碼區大約有 98% 到 99% 是相同的?!薄暗?DNA 部分非常、非常不同?!?/p>

“這些是基因組中進化最快的序列,但之前的觀點是,‘好吧,這些都是垃圾序列,誰在乎你的垃圾序列和我的垃圾序列是否不同?”“Jagannathan 說。

但當他們調查衛星 DNA 對純物種的繁殖和生存的重要性時,Yamashita 和 Jagannathan 首次發現了這些重復序列可能在物種形成中發揮作用的線索。

當研究人員刪除了果蠅 (Drosophila melanogaster) 體內一種與特定衛星 DNA 序列相結合的名為 Prod 的蛋白質后,果蠅的染色體就會分散到細胞核外,形成被稱為微核的細胞物質小團,果蠅就會死亡?!暗俏覀冊谶@一點上意識到,這個與 Prod 蛋白結合的衛星 DNA 片段在黑腹果蠅的近親中完全缺失了,”Jagannathan 說?!八耆淮嬖?。所以這是一個有趣的小問題?!?/p>

如果這部分衛星 DNA 對一個物種的生存至關重要,但對另一個物種卻缺失,這可能意味著隨著時間的推移,兩種果蠅進化出了不同的衛星 DNA 序列,以發揮相同的作用。由于衛星 DNA 在保持所有染色體在一起的過程中發揮了作用,Yamashita 和 Jagannathan 想知道這些進化上的差異是否可能是不同物種繁殖不相容的原因之一。

Yamashita 說:“當我們意識到 (細胞中的衛星 DNA) 的功能后,衛星 DNA 在不同物種之間的差異就像閃電一樣令人震驚?!薄巴蝗恢g,這就變成了一個完全不同的調查?!?/p>

為了研究衛星 DNA 差異是如何導致生殖不親和性的,研究人員決定將重點放在果蠅家族樹的兩個分支上: 經典的實驗室模型黑腹果蠅和它最近的近親果蠅模擬。這兩個物種在 200 萬到 300 萬年前就分道揚鑣了。

研究人員可以讓雌性黑腹果蠅和雄性擬果蠅交配,“但這種雜交產生的后代非常不快樂,”Yamashita 說?!耙床挥?,要么死亡?!?/p>

Yamashita 和 Jagannathan 一起飼養果蠅,然后研究后代的組織,看看是什么導致這些 “不快樂的” 雜交后代像蒼蠅一樣掉落。他們立刻注意到一些有趣的事情:“當我們觀察這些雜交組織時,很明顯,它們的表型與你破壞了一個純物種的衛星 DNA[介導的染色體組織] 完全相同,”Yamashita 說。染色體是分散的,沒有被包裹在單個細胞核中。

此外,研究人員還可以通過改變果蠅母體中的某些被稱為 “雜交不親和性基因” 的基因,創造出健康的雜交果蠅。研究表明,雜交不親和性基因定位于純物種細胞中的衛星 DNA。通過這些實驗,研究人員能夠證明這些基因如何影響雜交后代的染色體包裝,并首次確定與它們相關的細胞表型。Jagannathan 說:“對我來說,這可能是這篇論文最關鍵的部分?!?/p>

綜上所述,這些發現表明,由于衛星 DNA 突變相對頻繁,結合衛星 DNA 并將染色體保持在一起的蛋白質必須進化才能跟上,這導致每個物種發展自己與衛星 DNA 合作的 “策略”。當兩個具有不同策略的生物體雜交時,就會發生沖突,導致染色體分散到細胞核外。

在未來的研究中, 山下先生和 Jagannathan 希望把他們的模型, 最終測試: 如果他們能夠設計一種蛋白質, 這種蛋白質可以綁定兩個不同物種的衛星 DNA 和染色體在一起, 他們理論上可以 “拯救” 注定混合, 使其生存和產生可以存活的后代。

這一生物工程的壯舉可能還需要幾年的時間。Yamashita 說:“現在這只是一個純粹的概念?!薄霸谶M行這種修補的過程中,可能需要解決很多細節問題?!?/p>

目前,研究人員計劃繼續研究衛星 DNA 在細胞中的作用,他們對衛星 DNA 在物種形成中所起的作用有了新的認識?!皩ξ襾碚f,這篇論文令人驚訝的部分是我們的假設是正確的,”Jagannathan 說?!拔业囊馑际?,回想起來,有很多事情可能與我們的假設不一致,所以我們能夠從開始到結束繪制出一條清晰的道路,這有點令人驚訝?!?/p>

參考文獻:

?“Defective Satellite DNA Clustering into Chromocenters Underlies Hybrid Incompatibility in Drosophila” by Madhav Jagannathan and Yukiko M Yamashita, 24 July 2021, Molecular Biology and Evolution.DOI: 10.1093/molbev/msab221

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