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有性生殖在真核生物的繁衍與演化中扮演著重要的角色,其在不同物種中表現(xiàn)出豐富的多樣性。關(guān)于有性生殖的調(diào)控過程,盡管在動物、植物和真菌等真核生物中均有研究,但系統(tǒng)性的、深入到分子機(jī)制層面的研究僅局限在少數(shù)生物中。模式生物四膜蟲是一種具有七種性別(交配型)的原生動物,代表了一類進(jìn)化上起源較早的單細(xì)胞真核生物。其作為模式生物的特點(diǎn)及其進(jìn)化地位,為系統(tǒng)、深入地闡明真核生物早期分化類群的有性生殖調(diào)控過程,探討真核生物有性生殖的起源與演化提供了機(jī)會。
中國科學(xué)院水生生物研究所繆煒研究員團(tuán)隊(duì)對四膜蟲有性生殖的調(diào)控開展了十多年的系統(tǒng)研究。相繼發(fā)現(xiàn)了四膜蟲交配型決定基因(PLOS Biology,2013)并揭示了其起源與演化規(guī)律(iScience,2021),解析了多個(gè)細(xì)胞周期蛋白、周期蛋白激酶和轉(zhuǎn)錄因子在有性生殖減數(shù)分裂過程中的調(diào)控作用(JCS,2020;Cell cycle,2016a/b/c,2018)。近期,通過對四膜蟲有性生殖調(diào)控過程的持續(xù)研究,團(tuán)隊(duì)在交配型識別、有性生殖起始和減數(shù)分裂同源重組三個(gè)方面取得了重要研究進(jìn)展(圖1),為解答真核生物性別起源、同性和異性識別等重要的進(jìn)化生物學(xué)問題提供了線索。
圖1? 四膜蟲生活史及有性生殖調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展
1.性別產(chǎn)生之前真核生物如何進(jìn)行有性生殖?
真核生物具有有性生殖的標(biāo)志是減數(shù)分裂。由于減數(shù)分裂相關(guān)基因在真核生物普遍存在并具有保守性,說明減數(shù)分裂起源早,在真核生物共同祖先中已存在。而不同的生物,采用的性別決定基因具有很大差別,說明性別在進(jìn)化上產(chǎn)生較晚且在不同真核生物類群中具有較大差異。而進(jìn)化上從減數(shù)分裂起源到第一次性別產(chǎn)生的中間狀態(tài),真核生物如何進(jìn)行有性生殖并不明確。相關(guān)假說認(rèn)為在此期間,真核生物采用單性生殖,即同種細(xì)胞配對(自交,selfing)。
水生所繆煒團(tuán)隊(duì)近期在對四膜蟲有性生殖起始過程研究發(fā)現(xiàn),名為CIP1的單一基因的缺失可使四膜蟲跳過交配型識別過程而直接啟動減數(shù)分裂。研究發(fā)現(xiàn)敲除CIP1導(dǎo)致交配型識別的自交規(guī)避功能喪失。CIP1通過抑制細(xì)胞周期蛋白-周期蛋白激酶復(fù)合體(CDK19-CYC9)阻止有性生殖的啟動,負(fù)責(zé)將有性生殖起始與交配型識別兩個(gè)過程相耦聯(lián)。這一結(jié)果表明單個(gè)基因的起源這類簡單的進(jìn)化事件即可導(dǎo)致生物從自交變?yōu)椴煌詣e的異交。這一結(jié)果支持真核生物祖先采用自交(單性)進(jìn)行有性生殖。
近日,這一工作以“Cip1,a CDK regulator,determines heterothallic mating or homothallic selfing in a protist”為題在線發(fā)表于PNAS雜志。水生所馬揚(yáng)博士和閆冠雄博士為該文共同第一作者,繆煒研究員為通訊作者。
圖2真核生物有性生殖起源假說示意圖
2.單細(xì)胞生物如何識別同性和異性?
盡管大多數(shù)常見的生物僅具有兩種性別(雌/雄、+/-、a/α等),多性別的物種同樣普遍存在于自然界中,如一些原生動物纖毛蟲(Ciliates)和擔(dān)子菌(basidiomycetes)。模式纖毛蟲嗜熱四膜蟲具有七種交配型(I-VII)??姛樠芯繂T團(tuán)隊(duì)前期與加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校Eduardo Orias教授合作發(fā)現(xiàn),這七種交配型的分子基礎(chǔ)為MTA和MTB兩個(gè)蛋白家族。然而,七種交配型之間如何進(jìn)行同性和異性的識別依然是懸而未決的問題。
近期,通過與華中農(nóng)業(yè)大學(xué)殷平教授團(tuán)隊(duì)合作,發(fā)現(xiàn)四膜蟲交配型識別過程中,MTA和MTB并非進(jìn)行簡單的配體-受體反應(yīng),而是與一系列蛋白共同形成一個(gè)巨大的復(fù)合體來行使功能。該復(fù)合體定位于細(xì)胞表面而非纖毛表面,且圍繞在纖毛周圍,沿纖毛列排布。該復(fù)合體一方面可以識別同性從而抑制配對,另一方面可以識別異性從而激活配對,即同時(shí)具有自我識別和非自我識別的能力。
相關(guān)工作以“A seven-sex species recognizes self and non-self mating-type via a novel protein complex”為題發(fā)表于eLife雜志。水生所閆冠雄博士為該文第一作者,水生所繆煒研究員與華中農(nóng)業(yè)大學(xué)殷平教授為共同通訊作者。
圖3四膜蟲交配型識別模型
3.沒有聯(lián)會復(fù)合體的生物有著怎樣的減數(shù)分裂同源重組模式?
減數(shù)分裂同源重組是有性生殖的一個(gè)重要過程,不僅能夠確保親本的染色體正常地分配到配子中,而且影響基因組的多樣性和生物的適應(yīng)性演化,因此長期以來同源重組一直是生物學(xué)研究的熱點(diǎn),然而在古老的進(jìn)化分支如單細(xì)胞原生動物纖毛蟲中的減數(shù)分裂重組模式卻鮮有報(bào)道。
繆煒研究員團(tuán)隊(duì)以高密度的單核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)(3.8 SNPs/kb)作為分子標(biāo)記,在嗜熱四膜蟲38個(gè)雜交后代中共檢測到1,021個(gè)交叉互換(Crossover)事件,對應(yīng)基因組重組率為9.9 cM/Mb,該重組率遠(yuǎn)高于人、小鼠和擬南芥等高等動植物;但基因轉(zhuǎn)換(Gene conversion)事件較為罕見,每次減數(shù)分裂僅1.03個(gè),且不存在G/C偏好性轉(zhuǎn)換;未發(fā)現(xiàn)明顯的交叉干擾跡象,可能與四膜蟲減數(shù)分裂過程缺乏聯(lián)會復(fù)合體有關(guān);此外,重組熱點(diǎn)常出現(xiàn)在著絲?;騺喍肆^(qū)域,并且與響應(yīng)環(huán)境變化的基因密切相關(guān)。該研究解析了聯(lián)會復(fù)合體缺失物種的減數(shù)分裂同源重組模式,為染色體交叉互換的調(diào)控機(jī)制及重組機(jī)器在不同生物類群中的演化機(jī)制提供了新的視角和研究方案。
該研究工作以“The genome-wide meiotic recombination landscape in ciliates and its implications for crossover regulation and genome evolution”為題并作為封面論文發(fā)表于Journal of Genetics and Genomics雜志。水生所付露博士為該論文第一作者,繆煒研究員和王光營博士為共同通訊作者。
圖4 ?Journal of Genetics and Genomics 2024年第51卷第3期封面
上述三項(xiàng)工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)、中國科學(xué)院基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究計(jì)劃“從0到1”原始創(chuàng)新項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金的資助,以及水生所分析測試中心、中國科學(xué)院超級計(jì)算武漢分中心和國家水生生物種質(zhì)資源庫的支持。美國杜克大學(xué)孫晟副教授,美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校Eduardo Orias教授、Eileen P. Hamilton博士,法國蒙彼利埃大學(xué)國家科學(xué)研究中心人類遺傳學(xué)研究所Kazufumi Mochizuki教授參與了相關(guān)工作并提出了寶貴意見。
文章鏈接:
PNAS論文: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2315531121
eLife論文:https://elifesciences.org/reviewed-preprints/93770
Journal of Genetics and Genomics論文:https://doi.org/10.1016/j.jgg.2023.09.013