新功能、新界面、新体验,扫描即可下载生物谷APP!
首页 » 分子生物学 » 《科学》:细思恐极!你的诞生可能不是一场意外,而是基因「有意」为之

《科学》:细思恐极!你的诞生可能不是一场意外,而是基因「有意」为之

来源:奇点网 2017-11-13 10:24

人是什么?生命有意义吗?人类终将走向何方?

英国著名的演化生物学家理理查德·道金斯选择在其着作《自私的基因》一书中表达了自己的观点。他认为,生命是基因创造的生存机器,人类不过是基因的载体,保存它们才是我们存在的终极理由。生命短暂,而基因不朽。

而基因之所以自私,是因为它们只顾自己能更好的生存,在自然选择的条件下,随机突变不断的进化,不管这一进化是否适合宿主生存。而现在,科学家发现,基因的自私不仅仅停留在自然选择层面。为了自己的生存,一些基因居然会主动选择将自己的“同类”残忍消灭掉。

按照我们高中生物课本的知识。哺乳动物在产生卵子的过程中需要进行减数分裂,而在减数分裂的过程中,我们卵母细胞中的两套染色体会有一套进入极体,继而被降解掉,而另一套染色体则会进入卵子内,传递给后代。同时,按照经典的孟德尔遗传定律,这两套染色体进入卵母细胞的机会应该是相同的,都是 50%。

而近日,来自宾夕法尼亚大学的 Michael Lampson 教授与他的团队首次证明,哺乳动物卵母细胞内的某些自私的基因在减数分裂的过程中,存在“作弊”行为。这些基因为了能够进入卵子从而传递给后代,会“主动感知”自己在卵母细胞中的位置,一旦发现自己要被“淘汰”,就会主动切断与纺锤体的连接,要求重新分配位置,以增加自己进入卵子的机会。这一发现发表在《科学》杂志上(1)。

打个比方,这就像是两人玩石头剪刀布,赢了的才有机会活下去。结果第一次你赢了,但是你的对手耍赖了,不认账,并强烈要求重来一次,不管你同意不同意。很明显,那个自私的人,活下去的机会更大。

这一发现还得从 2001 年说起。当时,Carmen Sapienza 博士等人在总结前人的研究时发现,哺乳动物在进行减数分裂时,染色体的分离并不是随机的(2)。也就是说,哺乳动物两套染色体进入卵子的几率并不是相等的,总有某些染色体在减数分裂的过程中,有更大的几率进入卵子。可是当时他们并不清楚其中的原因。

直到近年来,一系列的研究表明,哺乳动物在进行减数分裂的过程中,染色体不随机分离现象与着丝粒密切相关。在减数分裂时,这些着丝粒为了获取“生存”的权利,它们之间存在着激烈的竞争(3)。

着丝粒其实就是染色体上的一段 DNA 序列,由大量的重复 DNA 片段组成,是哺乳动物细胞内最丰富的非编码 DNA,在卵母细胞进行减数分裂的过程中,着丝粒负责与纺锤体相连,介导染色体的分离。

近年来,科学家们发现,着丝粒上的 DNA 序列中积累了大量的 DNA 突变以及碱基缺失,并且在快速的进化,使其 DNA 长度变得更长,DNA 重复片段变得更多(4)。同时,着丝点的 DNA 序列越长,其包含的 DNA 重复片段越多时,其所结合的着丝粒蛋白也就越多。这种着丝粒被称为强着丝粒,因为这种着丝粒具有更大的几率进入卵子以存活下去(5)。但是,其中的具体机制尚不清楚。

着丝粒

为了确定其中的原因,Lampson 教授开始了本次实验。

通过将包含强着丝粒的老鼠与包含弱着丝粒的小鼠杂交,Lampson 教授得到了可以同时生成包含强、弱着丝粒卵母细胞的小鼠。随后在对 23 个同时包含强、弱着丝粒的卵母细胞的减数分裂过程进行观察时,Lampson 教授惊奇的发现,有 21 个卵母细胞,其染色体不是随机分离的。

具体来说,23 个卵母细胞中,有 21 个卵母细胞在减数分裂时,包含强着丝粒的染色体,在靠近极体时,会主动切断自己与纺锤体之间的连接,并随即切断弱着丝粒与纺锤体之间的连接,然后重新分配二者在卵母细胞中的位置,并重新与纺锤体建立连接,最终使自己进入卵母细胞的几率大大增加。

那么强着丝粒是如何做到这一点的呢?

Lampson 教授发现,之所以会出现这一现象,是因为,在小鼠卵母细胞上即将形成极体继而被降解的那一侧,存在着大量的 CDC42 蛋白,这种蛋白可以将连接纺锤体以及着丝粒的微管蛋白酪氨酸化,使之变得脆弱。

同时,强着丝粒对于 CDC42 蛋白介导的酪氨酸化非常敏感,因此,在靠近极体的时候,强着丝粒与纺锤体之间的连接就会逐渐变弱,而弱着丝粒几乎完全不受 CDC42 蛋白的影响,只会听从“命运”的安排。

因此,当强着丝粒发现自己要被“淘汰”时,就会主动切断与纺锤体之间的连接,并迫使相应的弱着丝粒与纺锤体之间的连接也断开,然后重新分配。所以,强着丝粒才会有更大的几率生存下去。

强着丝粒(大蓝点)在发现自己靠近极体时(左边黑色实线),会主动断开与纺锤体之间的连接,并要求重新分配

至于为什么强着丝粒对于 CDC42 蛋白更加敏感,目前还不清楚。但是无可否认,这是着丝粒这一自私基因用来“作弊”的工具之一。

事实上,科学家早就发现了我们的基因中,最丰富的一类基因其实不包含任何生物功能,这类基因被称为自私 DNA,因为它们目前已知的功能就是到处传播自己,保证自己的生存。而着丝粒,其实是这类 DNA 中数目最多分布最广的一类(6)。

这也意味着,我们人体内最丰富的基因,其实一直都只是在为了自己的生存而“默默”斗争,不惜违反“公平”的游戏规则,竭力保全自己。而至于我们人类的存在,或许只是这些基因“大发慈悲”,为自己更好的生存而“略施小惠”。所以终有一天,当这些基因发现我们并不适合它们“居住”时,它们可能会毫不犹豫的主动选择放弃我们,以寻找更好的宿主。(生物谷Bioon.com)

参考资料:

1.Akera T, Chmátal L, Trimm E, et al. Spindle asymmetry drives non-Mendelian chromosome segregation[J]. Science, 2017, 358(6363): 668-672.

2.De Villena F P M, Sapienza C. Nonrandom segregation during meiosis: the unfairness of females[J]. Mammalian Genome, 2001, 12(5): 331-339.

3.Rosin L F, Mellone B G. Centromeres drive a hard bargain[J]. Trends in Genetics, 2017.

4.Melters D P, Bradnam K R, Young H A, et al. Comparative analysis of tandem repeats from hundreds of species reveals unique insights into centromere evolution[J]. Genome biology, 2013, 14(1): R10.

5.Iwata-Otsubo A, Dawicki-McKenna J M, Akera T, et al. Expanded satellite repeats amplify a discrete CENP-A nucleosome assembly site on chromosomes that drive in female meiosis[J]. Current Biology, 2017, 27(15): 2365-2373. e8.

6.http://science.sciencemag.org/content/358/6363/594

温馨提示:87%用户都在生物谷APP上阅读,扫描立刻下载! 天天精彩!



相关标签

最新会议 培训班 期刊库