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为进入卵细胞,看染色体如何“作弊”

文章热度: ★★☆ |来源:中国生物技术 |
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你的每个细胞都含有23个染色体的两个拷贝,一个来自父亲,另一个来自母亲。从理论上讲,当你产生一个配子,即精子或卵子,那么每个拷贝都有50%的几率传给你的孩子,但事实真的如此吗?

科学家们在相关研究中观察到,染色体竟然会“作弊”,从而改变自己进入生殖细胞的几率。现在,美国宾夕法尼亚大学的研究团队揭示了在雌性细胞中这种失衡是如何出现的。通过对小鼠卵母细胞(卵细胞的前身)仔细地观察和实验,他们发现了分子信号,这种信号在驱动减数分裂的机制中产生了不对称性。研究人员发现,特定的染色体会利用这种失衡,在细胞分裂的时候将自己移动到细胞“右侧”位置,并在卵细胞中结束。这项有关非孟德尔染色分离的研究发表在11月3日的《Science》上。

为进入卵细胞,看染色体如何“作弊”

这些发现阐述了关于减数分裂的某些很常见但尚不明确的方面,可以帮助人们更好地理解减数分裂,比如错误为什么会出现,怎么出现。在减数分裂期间,染色体与配子分开时出现的错误是流产和某些疾病的根源,比如唐氏综合症。

宾大文理学院副教授、文章通讯作者Michael Lampson说:“如果弄清楚这些‘自私基因’利用减数分裂机制的方式,我们就能更深入地理解这个过程如何起作用。”

几十年来,科学家们已经意识到,在减数分裂期间,各种遗传因素似乎参与了一场无声的战斗。因为一些遗传因子以高于偶然性的几率传递给了配子,用于描述这种现象的术语叫做“减数分裂驱动”。

Lampson说:“通常我们在自然选择的层面优先考虑自私基因。也就是说,使你更长寿、生育能力更强、能够杀死敌人的基因更容易传递下去。但是我们还可以从基因自身来考虑它的自私性。在这种环境下,基因需要互相竞争才能进入配子。虽然我们有证据表明这确实可能发生,但我们并没有真正理解它的发生机理。”

对于基因传播发生偏倚,研究团队推测,可能与细胞分裂的物理机制有关。对于雌性来说,减数分裂的最后阶段会生成两个细胞,一个成为卵子,另一个成为极体,后者通常会退化。

研究人员选择关注细胞分裂机制,研究减数分裂纺锤体(meiotic spindle),该结构由附着在染色体上的微管(microtubules)组成,在细胞分裂之前,将它们拉到细胞的对侧。

通过观测卵母细胞的微管,他们发现一种被称为“酪胺酸化(tyrosination)”的变化出现了不平衡分布:与靠近皮质部(cortex)的相比,靠近卵子一边的酪氨酸修饰较少。这种不对称现象仅在减数分裂期纺锤体从细胞中部向皮质部方向移动时出现。

Lampson说:“这告诉我们,不管引起酪胺酸变化的信号是什么,它一定来自皮质部。接下来的问题是,这个信号是什么?”

研究人员已经获得了一些有关分子表达增加的信息,包括一种叫做CDC42的细胞皮质部侧的表达。为了测试这种分子是否导致酪胺酸变化失衡,研究人员用光敏试验设计了在一极选择性富集CDC42的实验系统。他们的结果表明,CDC42至少在部分上导致酪胺酸变化失衡,从而使得纺锤体带有一定偏见地分裂细胞。

确定了这种失衡确实存在以及它如何出现之后,研究人员们开始研究这种失衡如何使染色体学会“作弊”。他们通过把重点放在着丝粒上,即染色体附着在纺锤体上的区域来实现的。他们使用两种小鼠杂交,从而获得了拥有两种着丝粒的小鼠:一个大,一个小。

在该团队早期的工作中,他们知道更大的着丝粒能更优先地进入配子中。在目前的工作中,他们证实了,越大越强的着丝粒其实更容易进入到形成卵子的一极。

为进入卵细胞,看染色体如何“作弊”

小鼠卵母细胞极化细胞皮层(绿色)的信号调节微管酪氨酸化(白色)导致在减数分裂中产生纺锤体不对称性

当研究人员以突变CDC42和其他靶点来消除纺锤体不对称时,着丝粒定位偏倚的现象也随之消失了。

Lampson说:“这使得纺锤体不对称与染色体或着丝粒的欺作弊为联系到一起。”

但是该结果带来了一个问题,着丝粒什么时候变得具有了方向感了?当纺锤体开始向两边移动时,哪个点是带方向偏好的着丝粒和不对等分裂的转折点?

研究人员利用小鼠卵母细胞的活体成像发现,着丝粒越强,越容易从纺锤体脱离,如果它们被牵引到细胞皮质部侧,那么就更加容易脱离。这或许是为了进行翻转,好将自己翻个身朝卵子一极移动。比较弱的着丝粒很少脱离,对细胞的两级并没有偏好。

Lampson说:“如果自私的着丝粒面对错误的路径,它会放弃,只有这样才能找到另一条路。所以它们才能胜利。”

在今后的工作中,Lampson团队将进一步探索着丝粒的哪些特征使它们“强”或“弱”。

Lampson说:“该研究使我们了解到着丝粒有偏差的传递,但是也带来了很多其他的问题。着丝粒为什么这么做,以及它们是如何进化得能够赢得竞争。这都是一些我们还未曾了解的基本生物学问题。”

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[ 编辑:jixuyixue ]

关键词:生物技术,唐氏综合症,美国

几十年来,科学家们已经意识到,在减数分裂期间,各种遗传因素似乎参与了一场无声的战斗。因为一些遗传因子以高于偶然性的几率传递给了配子,用于描述这种现象的术语叫做“减数分裂驱动”。

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