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(guò)程，盡管在動(dòng)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?jī)H局限在少數(shù)生物中。模式生物四膜蟲(chóng)是一種具有七種性別（交配型）的原生動(dòng)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(guò)程，探討真核生物有性生殖的起源與演化提供了機(jī)會(huì)。

中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所繆煒研究員團(tuán)隊(duì)對(duì)四膜蟲(chóng)有性生殖的調(diào)控開(kāi)展了十多年的系統(tǒng)研究。相繼發(fā)現(xiàn)了四膜蟲(chóng)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(guò)程中的調(diào)控作用（JCS,2020;Cell cycle,2016a/b/c,2018）。近期，通過(guò)對(duì)四膜蟲(chóng)有性生殖調(diào)控過(guò)程的持續(xù)研究，團(tuán)隊(duì)在交配型識(shí)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(shí)別等重要的進(jìn)化生物學(xué)問(wèn)題提供了線索。

圖1? 四膜蟲(chóng)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(shuō)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(shuō)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(shuō)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(duì)（自交，selfing）。

水生所繆煒團(tuán)隊(duì)近期在對(duì)四膜蟲(chóng)有性生殖起始過(guò)程研究發(fā)現(xiàn)，名為CIP1的單一基因的缺失可使四膜蟲(chóng)跳過(guò)交配型識(shí)別過(guò)程而直接啟動(dòng)減數(shù)分裂。研究發(fā)現(xiàn)敲除CIP1導(dǎo)致交配型識(shí)別的自交規(guī)避功能喪失。CIP1通過(guò)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(dòng)，負(fù)責(zé)將有性生殖起始與交配型識(shí)別兩個(gè)過(guò)程相耦聯(lián)。這一結(jié)果表明單個(gè)基因的起源這類簡(jiǎn)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(shuō)示意圖

2.單細(xì)胞生物如何識(shí)別同性和異性？

盡管大多數(shù)常見(jiàn)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(dòng)物纖毛蟲(chóng)（Ciliates）和擔(dān)子菌（basidiomycetes）。模式纖毛蟲(chóng)嗜熱四膜蟲(chóng)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(shí)別依然是懸而未決的問(wèn)題。

近期，通過(guò)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(chóng)交配型識(shí)別過(guò)程中，MTA和MTB并非進(jìn)行簡(jiǎn)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(lái)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(shí)別同性從而抑制配對(duì)，另一方面可以識(shí)別異性從而激活配對(duì)，即同時(shí)具有自我識(shí)別和非自我識(shí)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(chóng)交配型識(shí)別模型

3.沒(méi)有聯(lián)會(huì)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(guò)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(zhǎng)期以來(lái)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(dòng)物纖毛蟲(chóng)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(chóng)38個(gè)雜交后代中共檢測(cè)到1,021個(gè)交叉互換（Crossover）事件，對(duì)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(dòng)植物；但基因轉(zhuǎn)換（Gene conversion）事件較為罕見(jiàn)，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(chóng)減數(shù)分裂過(guò)程缺乏聯(lián)會(huì)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(huì)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(yíng)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)、中國(guó)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(guó)家自然科學(xué)基金的資助，以及水生所分析測(cè)試中心、中國(guó)科學(xué)院超級(jí)計(jì)算武漢分中心和國(guó)家水生生物種質(zhì)資源庫(kù)的支持。美國(guó)杜克大學(xué)孫晟副教授，美國(guó)加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校Eduardo Orias教授、Eileen P. Hamilton博士，法國(guó)蒙彼利埃大學(xué)國(guó)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(jiàn)。

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