卵子中的染色体为何会分配不均?都是自私的基因在作弊!

  • 文/李纪洁、罗鸿|阳明大学基因体科学研究所毕业生

每个人体内的细胞皆带有二十三对染色体,其中一套来自父亲,另一套来自母亲。为了维持染色体的套数,配子(精子或是卵子)仅能带有一套染色体,如此一来受精时才不会产生多于两套的染色体。因此配子生成时,会透过减数分裂来随机舍弃其中一套染色体。而理论上每对同源(姐妹)染色体都有一半的机率可以遗传到子代中。

但是现在有项新的研究指出,减数分裂的过程并非随机对半分那么简单。

人体的二十三对染色体。

科学家发现某些染色体会狡猾的增加自己被分配到精子或卵子中的机会,颠覆以前随机五五分的理论。宾州大学的研究团队十一月初发表在《科学》上的文章让我们一窥染色体如何让卵子在减数分裂中偏爱保留特定的染色体。

 

再进一步了解之前,让我们先来复习卵子(ocyte)的生成过程。举人类为例子,初级卵母细胞(primary oocyte)在出生后皆停在第一次减数分裂前期(meiosis I prophase)。接着在性成熟后初级卵母细胞变成次级卵母细胞(secondary oocyte),这过程细胞从带有双套染色体变成单套。随着固定的周期次级卵母细胞进行第二次减数分裂至中期(meosis II metaphase),待受精后才完成第二次减数分裂。此时带有一套两倍染色单体(chromatid)的次级卵母细胞变成只有一套一倍染色单体的卵子。但有趣的是经过两次减数分裂而生成的四颗细胞只有一颗能成为卵子,剩下的则变成极体(polar body)被降解。因此,染色体要努力让自己被分配到能够遗传下去的配子中(gamete)。自私的基因

其实,科学家在这数十年的减数分裂研究中已经观察到遗传物质之间似乎有竞争的行为,导致有些遗传物质拥有较高的机率在配子(gametes)中遗传下去。因此,「不规则减数分裂」(meiotic drive)便作为形容这个偏差现象的专有名词。

而自私的基因则是主要造成染色体不规则分配的重要因素。

宾州大学生物助理教授同时也是此篇研究负责人之一的 Michael Lampson 表示:「如果我们能阐明这些自私的遗传片段是如何利用减数分裂来分配至卵子的机制,我们便跨出第一步更加深入了解减数分裂。」这项研究可以让我们更了解减数分裂的机制,并且为染色体分配不均所造成的唐氏症等疾病提供治病线索。

「我们通常视自私的基因为自然筛选(natural selection)的一环,这些基因能帮助个体寿命变长、拥有较多后代或是比敌人强壮,」Michael Lampson 说道,但他也提到「自私的基因也有可能没有想像中的那么伟大,它们也许只为了将自己遗传下去而去竞争。虽然我们有证据显示遗传物质之间存在竞争关系,但始终不知道这场拔河比赛的运作方式。」

凭什么你是卵子、我是极体?关键在第一次减数分裂

作者们认为不规则减数分裂跟细胞分裂的物理机制有关,于是他们决定观察负责分开染色体的结构——纺锤体(meiotic spindle)。纺锤体是由纺锤丝(microtubule)构成的细胞结构,并透过着丝点(kinetochore)和染色体的中节(centromere)结合,并将染色体往两端拉开。

 

科学家发现在老鼠的卵母细胞中两端的纺锤丝会有不同程度的修饰(modification)。靠近即将变成次级母细胞那端(egg side/center)的纺锤丝酪氨酸化(tyrosination)的程度较低,而将变成极体的皮质端(cortical side)则拥有较多酪氨酸化的纺锤丝。而这种不对称的现象只发生于减数分裂当中。

 

到底是什么讯号负责提高纺锤丝酪氨酸化呢?

作者猜测了几个可能增加纺锤丝酪氨酸化的蛋白,其中之一便是 CDC42 蛋白,因为先前的研究已显示 CDC42 蛋白会参与细胞周期(cell cycle)和细胞极性(cell polarity)的调控。因此,他们设计一套光引导二聚化系统(light-induced dimerization assay)使 CDC42 蛋白只附着上一端的中心粒(centrosome),并证明 CDC42 蛋白确实参与了不对称的纺锤丝酪氨酸化。

 

中节是不规则减数分裂的终结者?

中节(centromere)是一段在染色体中重复的特定序列,当细胞进行减数分裂时中节会与着丝点及纺锤丝连接。因此作者怀疑中节就是自私的基因,并利用上述观察到细胞减数分裂中蛋白不对称的特性让自己分配到对的一方。

作者们在此篇研究之前已经得知染色体中节大小会影响分配到配子的机率。因此他们使分别带有较大或较小染色体中节的两种老鼠交配,以取得同时具有大和小中节的老鼠。接着观察此老鼠的初级卵母细胞第一次减数分裂的情形,结果显示确实具有较大或较强中节的染色体有较高的机率(60%)分配至配子。

若使 CDC42 突变成没有功能的蛋白后,拥有较大中节的染色体便不再具有分配时的偏好方向。由此可知,自私的基因非常聪明的利用减数分裂的不对称机制达到自己的目的,成可谓知己知彼百战百胜。

 

自私的中节就像是作弊的奇异博士?

作者发现当纺锤体构成时,它们与中节的相接发生在细胞的中央,而此时的连接方向并没有偏好。因此,中节的偏好应当是发生在相接之后的事情。

科学家利用即时影像(live imaging)观察到较强大的中节比较容易与纺锤体脱离,特别是此中节正朝着将形成极体的方向时。而细胞内建的机制是当一端的中节脱落时,两端的纺锤体都会停止拉开染色体而恢复到先前的状态。此时较强的中节便有机会转向,将自己接上通往卵子的纺锤体。而相反的,较弱的中节呈现被动的状态,不偏好特定的方向也不随意脱离纺锤体。

 

Lampson 说:「如果你是自私的中节,当你面对错误的方向时就要马上放手,直到细胞将你转到你要的方向。这是胜利守则。」自私中节在减数分裂游戏中具有特权,如果输了就重来直到赢了为止,如同奇异博士在无限循环的时间中打败邪灵多玛姆。当然,自私的基因具有主动攻击权,比奇异博士的烦人招式强多了。

 

Lampson的团队未来会继续研究较强或较弱的着丝点有何特性以及自私的中节是如何演化产生的。另外,有趣的问题是难道自私基因能为所欲为吗?其他的基因是否其他机制去抗衡自私的基因呢?

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