Science：发现褐藻和动物都存在雄性性别决定基因HMG-box

在一项新的突破性研究中，来自德国马克斯-普朗克生物研究所的研究人员证实褐藻（brown algae）中的一个 HMG-box 基因对决定雄性至关重要。这一突破极大地拓展了人们对真核生物性别决定机制的认识。迄今为止，只有少数脊椎动物和植物中的主性别决定基因被鉴定出来。相关研究结果发表在2024年3月22日的Science期刊上，论文标题为“Repeated co-option of HMG-box genes for sex determination in brown algae and animals”。

这项新的研究揭示了动物和海藻在发育途径上的进化相似性，尽管它们经历了数百万年的独立进化。它强调了在不同谱系之间使用共享的遗传工具包，并探索了遥远的进化趋同。

褐藻中神秘的U/V性染色体系统

虽然大多数有性生殖的生物通常都有明显的雄性或雌性，但不同物种的性别决定所依据的遗传调控却大相径庭。这种多样性延伸到褐藻这种看似简单的生物，它们拥有令人费解的性别决定机制。

褐藻是海洋多细胞光合真核生物。它们独立于动植物进化出了一些关键的生物特征，如多细胞性、复杂的生命周期和性染色体。鉴于这些独特的特征，褐藻是研究生殖进化的极佳模式生物。

真核生物包括从单细胞到复杂的多细胞形式的一系列生物，它们的性染色体也多种多样。哺乳动物有 XX/XY 系统：雄性有 X 和 Y 染色体。同样地，在鸟类、鱼类和一些昆虫中观察到的 ZZ/ZW 系统中，雄性通常有两条 ZZ 染色体。出现 XX/XY 和 ZZ/ZW 系统的原因是，动物在胚胎发育过程中基因组有两个拷贝，每个拷贝来自一个亲本。

这些系统包含触发雄性或雌性分化的特定因子，已知的主性别决定因子分别位于 Y 染色体和 W 染色体上。相比之下，U/V 系统的探索仍然较少，只在藻类、苔藓和地衣中发现了一种性别决定因子。然而，真菌并不依赖于特殊的性染色体。它们利用交配型基因来决定自身的性别和可以与谁繁殖。

褐藻的一种显著特点是它们采用了 U/V 性染色体系统。褐藻在单倍体阶段（即只有一个基因组拷贝）就能决定自身的性别，这与携带两套完整染色体的二倍体动物不同。褐藻只携带决定其性别的雄性 V 染色体或雌性 U 染色体。

十多年前，在Susana Coelho博士的领导下，科学家们在褐藻的雄性 V 染色体中发现了一个性别特异性区域，其中包含一个编码 HMG-box 蛋白的基因，他们后来将其命名为 MIN（Male Inducer）。

HMG-box是一个DNA结合域，普遍存在于真核生物的染色质相关蛋白和转录因子中，包括人类的性别决定因子SRY和真菌的交配型决定因子。在当时，可获得的工具和方法无法证实MIN 是否会触发这些生物的雄性发育途径。

来自CRISPR/Cas基因操纵的新见解

论文共同第一作者、马克斯-普朗克生物研究所藻类培养专家Rémy Luthringer博士解释说，“在自然栖息地，褐藻的配子会跳起令人着迷的交配舞蹈。雌配子会迅速固定在基质上，并在海水中释放一种类似化学信号的信息素来吸引雄配子。雄配子在雌配子‘香水味’的吸引下，利用两条鞭毛在雌配子周围绕圈逐渐靠近地游动。”

CRISPR/Cas技术通常被称为“基因剪刀”，随着这项技术的出现，这些作者可以精确地靶向并编辑褐藻的遗传物质。他们利用这一工具，通过产生功能缺失的突变体来测试 MIN 的生物功能。结果显而易见：CRISPR突变株中没有复杂的雄配子交配舞蹈。也就是说，在缺少MIN的情况下，雄配子对雌性信息素完全不敏感。

图片来自Science, 2024, doi:10.1126/science.adk5466

Coelho博士指出，“当我们敲除褐藻中的性别决定基因MIN时，并没有观察到性别逆转。相反，雄性变成了无性。这是因为它们缺少互补染色体，即雌性 U 染色体。这表明，U 染色体上的雌性诱导因子尚未被发现。”通过这些遗传实验，他们揭示了褐藻中雄性性别决定的复杂机制。

Coelho博士评论说，“将一个HMG-domain基因确定为褐藻的主性别因子，揭示了动物和海藻在决定雄性性别方面独立地趋同于相同的解决方案。”

性别决定的进化得益于共享的基因工具包

通过深入研究进化时间表，这些作者发现藻类和动物的最后一个共同祖先是单细胞生物，缺乏这两类生物特有的性染色体。马克斯-普朗克生物研究所蛋白生物信息学项目负责人Vikram Alva博士解释说，“HMG-box结构域的起源可以追溯到真核生物的最后一个共同祖先，而MIN在褐藻的共同祖先中进化较晚。”

褐藻、真菌和哺乳动物中的性别决定因子共享一个同源的HMG-box结构域，表明它们起源于共同的祖先遗传学。Alva博士强调说，“虽然MIN和SRY是同源的，但它们并不是直系同源的；它们是在物种分化成不同生物之前衍生出来的。它们在功能上的相似性是趋同进化的一个例子，即尽管HMG-box结构域是独立进化的，但在不同生物中却适应了相似的角色。”

简单地说，这就好比用同一个盒子里的乐高积木搭建不同的基因。乐高积木具有功能上的相似性和共同的起源，但结果却不同。Coelho博士团队研究员Josué Barrera-Redondo博士解释说，“在这种情况下，动物和褐藻独立地使用相似的积木来达到相同的结果，即雄性性别决定。”

这些作者今后的研究工作将包括确定褐藻中控制雌性性别决定的主基因，并了解它们在缺乏 U 染色体时的无性表型。精确定位这个关键的MIN基因使得人们能够更深入地研究生命树（不局限于传统的动物和植物模型）中形成性别决定机制的进化动态。这一研究方向有可能为褐藻性别决定的遗传机制提供更全面的图景，有助于人们对进化生物学和发育调控的更广泛理解。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Rémy Luthringer et al. Repeated co-option of HMG-box genes for sex determination in brown algae and animals. Science, 2024, doi:10.1126/science.adk5466.

Decoding the shared genetic toolkit for male sex determination
https://phys.org/news/2024-03-decoding-genetic-toolkit-male-sex.html