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Nature:草履虫的性别之谜


原生生物的代表之一第四双小核草履虫(Paramecium tetraurelia)的子代总是能够保持母代的交配型,产生这一现象的原因一直是个谜。目前,有研究表明这样的遗传现象源于RNA介导的DNA删除机制,其保护了基因组免受外来DNA序列的侵扰。

人们都知道“异性相吸”这个道理。对于单核细胞生物第四双小核草履虫而言,所谓的“异性”可以看作是两种不同的交配型,分别称作偶(E)和奇(O)。E和O型细胞通过接合方式进行有性生殖,这是一种可逆的细胞融合过程,在这一过程里,两种不同交配型的细胞互相交换遗传物质,然后重新分裂产生子代细胞。尽管这些子代细胞拥有同样的混合基因组,并在其编码下生长,但是每个细胞都具有其母代细胞的交配型:也就是E生E,O生O。这一特别的遗传现象长久以来一直是个迷,现在,Singh等研究者在《自然》(Science)杂志上发表了他们的研究成果,给出了这个谜团的答案:原来是小RNA分子传递了这种母代与子代间的交配型特异性(mating-type-specific)的遗传信息(图1)。

草履虫属于纤毛纲原核生物,其生殖基因组和体细胞基因组均位于在功能上独立划分出来的细胞核内——分别称作小核和大核。在接合生殖过程中,小核进行减数分裂形成配子核,在细胞间进行交换。配子核彼此融合,在处于接合状态的细胞内产生两个完全一样的接合子基因组。然后,细胞分离,原有的母代大核被废弃,新的体细胞及生殖基因组在各自胞质内在接合子基因组编码下生成。尽管这些基因组是来自两个母代细胞基因组的组合,但子代细胞的交配型却保留了接合生殖以前母代细胞的交配型。

形成新的体细胞基因组意味着广泛的基因组重组过程,包括切除可转座元件——外来DNA序列,也叫做转座子,它们可以在基因组内转换位置。同时被移除的还包括成百上千的短序列(有些只有26个bp那么短),这些序列很多都来自蛋白质编码区域。为了鉴别那些消除了的DNA,在细胞结合生殖完成后不久,由整个生殖系基因组转录而来的小RNA在小核内被诱导产生出来。这些小RNAs起初被转运到母代大核内,然后被溶解;那些和母代体细胞基因组有互补序列的RNA也被溶解。(真正的对比应该是在减数分裂后产生的RNA和来自母代基因组的体细胞转录产物之间。)

剩下的小RNA——也就是那些来自生殖系基因组序列,而不包含体细胞基因组序列的转录产物,也就是那些真正来自外来DNA的转录产物——被叫做Piwi相关蛋白(Piwi-related proteins)的分子结合在一起,并被携带到体细胞基因组,在那里,任何同源小RNA将被靶向降解。最终结果是形成了以母代为模型的重组基因组。这种RNA介导的DNA消去通路,相当于纤毛纲生物进化中的Piwi-互动(pi)RNA通路(Piwi-interacting RNA pathway)——该通路使多细胞生物的生殖细胞内转座子发生沉默。Singh等的研究结果表明草履虫(Paramecium)在调控其“性别”时也采用这样的通路。

研究者发现E细胞之所以可以吸引O细胞是因为E细胞表达一种细胞表面蛋白mtA。这种蛋白质只在E细胞内表达,是由于mtA基因的启动子序列在O细胞内是转座子来源序列,因此被靶向删除了(图1)。

原生生物的代表之一第四双小核草履虫(Paramecium tetraurelia)的子代总是能够保持母代的交配型,产生这一现象的原因一直是个谜。目前,有研究表明这样的遗传现象源于RNA介导的DNA删除机制,其保护了基因组免受外来DNA序列的侵扰。

图1 交配型的表观遗传。

单细胞有机体第四小核草履虫存在两种不同的交配型:E细胞,表达细胞表面蛋白mtA;O细胞,不表达该蛋白。细胞包含位于大核内的体细胞基因组及位于小核内的生殖细胞基因组。在有性生殖过程中,母代E和O细胞通过接合生殖交换生殖细胞基因组,从而在细胞分裂时,产生新的、含有来源于生殖细胞及体细胞基因组两种混合遗传序列的基因组。在这一过程中,通过与母代体细胞基因组比对,靶向针对外来序列对其进行降解的RNA分子生成。Singh等研究表明这一RNA介导的DNA删除路径导致了在草履虫汇总交配型遗传的特征:mtA基因的启动子区域在O细胞子代细胞中被删除,但在E细胞子代细胞内则得以保留,这是因为该基因只存在于E细胞的母代基因组中。

在细胞生长过程中,E细胞的大核不会删除启动子,因为该序列存在于E细胞母代体细胞基因组中。因此,mtA启动子的存在与否的信息是由同源RNA在母代和子代基因组间传递的,这一传递可以有效封锁或启动DNA的删除,从而保证了交配型被严格传递到下一代。这个过程可以被描述成是一种表观遗传学现象,因为即使两个细胞最初具有相同的DNA序列,但最终则形成了不同的基因活性并遗传给后代。

到目前为止,DNA消除路径只在纤毛纲生物内发现,但是RNA介导的基因沉默机制则并不是,已经有不少研究表明,小RNA在生物内普遍具有遗传调控的功能。例如,在果蝇中,产生于母代染色体末端区域的piRNA可以沉默转座子或者位于基因组中其它区域的同源系列。在秀丽隐杆线虫(caenorhabditis elegans)中,三个小RNA通路共同配合抑制实验引入的原本在母代中不存在或不表达的基因,从而得以鉴别基因组内的新外来序列。在这些例子中,在母代中表达的基因组信息通过小RNA与mRNA转录产物的比对得以传递,其中,mRNA转录自基因组的蛋白质编码区域。然而,Singh等研究人员发现,在草履虫中的编码及非编码序列都可用于比对,因为生殖细胞小RNA和体细胞转录产物的全基因组互补序列都能在细胞生长过程中产生。

piRNA通路几乎被公认为生物体鉴别自己与异己的基础,从而使外来基因组的侵入(例如可转座的元件)发生沉默。但是Singh和同事们的研究表明,RNA介导的基因组防御通路可参与表观遗传学基因调控模式的产生。这一基因调控通路的增选(co-option)可能比目前研究所显示的更加常见。当研究者对其它类别具有交配型表观遗传特征的草履虫进行研究时发现,Paramecium septaurelia并未将不同交配型的mtA启动子切掉,相反,O细胞删除了来自另一基因mtB的一段,这一基因负责编码具有mtA表达功能的转录调控蛋白。这样一来,使基因失去原有表达活性,从而没法进行mtA的表达。而E细胞则保留了相应序列,并且表达mtB蛋白,进而当然也就能够产生mtA了。

在草履虫性别调控上,DNA删除通路被证实两次对两种不同基因进行表观遗传调控。这是75年以来,科学家第一次揭示了草履虫有性生殖中的交配型遗传机理。我们也应该相信,这一发现必将加快揭示其它由同源RNA介导的细胞内在基因调控的机理的步伐。

原文检索:

Douglas L. Chalker. Epigenetics: Keeping one's sex. Nature, 7 May 2014; doi:10.1038/nature13333

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