自私基因的解毒策略

　　

减数分裂从开始到8小时(每排)。左边和中间两列分别显示孢子发育时解毒剂和毒素蛋白的分布情况。右列为孢子发育过程中毒物(青色)和解毒剂(洋红色)的组合分布。自私基因的研究为减数分裂驱动系统提供了新的见解。

斯托尔斯医学研究所的新发现揭示了一种危险的自私基因(被认为是DNA的寄生部分)如何发挥作用和存活的关键见解。了解这一动态是更广泛的社区研究减数分裂驱动系统的宝贵资源。

2022年12月7日发表在《PLOS Genetic》上的一项新研究揭示了酵母中的自私基因如何使用毒药解毒剂策略来实现其功能，并可能促进了其长期进化的成功。这一策略对于研究类似系统的科学家来说是一个重要的补充，包括设计用于致病害虫控制的合成驱动系统的团队。在了解驱动方面的集体和协作进步可能有一天会导致消灭危害作物甚至在病媒传播疾病情况下危害人类的害虫种群。

插图描述解毒剂的机制和分布以及毒素的表达。在减数分裂开始时，这两种蛋白质都被表达。后来，解毒剂只存在于孢子外，而毒蛋白则无处不在。最后，继承wtf4的成熟孢子含有毒素和解毒剂，而其他孢子则被破坏。图源:斯托尔斯医学研究所

斯托尔斯副研究员Sarah Zanders博士说:“对基因组来说，编码一种能够杀死生物体的蛋白质是相当危险的。然而，了解这些自私元素的生物学特性可以帮助我们构建合成驱动力来改变自然种群。”

驱动基因是自私的基因，它们在种群中传播的速度比大多数其他基因都要快，而对机体没有好处。Zanders实验室之前的研究表明，酵母中的一种驱动基因wtf4能产生能够摧毁所有后代的毒蛋白。然而，对于给定的亲本细胞的染色体对，当wtf4只在一条染色体上被发现时，驱动就实现了。其效果是通过传递一种非常相似的蛋白质来抵消毒素，即解毒剂，同时拯救那些继承了驱动等位基因的后代。

在这项工作的基础上，由前博士预科研究员Nicole Nuckolls博士和现任博士预科研究员Ananya Nidamangala Srinivasa在Zanders实验室领导的这项研究发现，从wtf4中产生毒素和解毒剂蛋白的时间差异以及它们在发育中的孢子中的独特分布模式是驱动过程的基础。

该团队开发了一个模型，他们正在继续研究毒药如何杀死孢子(相当于酵母中的人类卵子或精子)。他们的结果表明，毒蛋白聚集在一起，可能会破坏细胞功能所需的其他蛋白质的正确折叠。因为wtf4基因同时编码毒药和解药，所以解药在形式上非常相似，并与毒药组合在一起。然而，解毒剂有一个额外的部分，似乎可以将解毒剂集群隔离开来，将它们带到细胞的垃圾桶，液泡中。

为了了解自私基因在繁殖过程中是如何发挥作用的，研究人员观察了孢子形成的开始阶段，发现毒蛋白在所有发育中的孢子及其周围的囊中都有表达，而解毒剂蛋白只在整个囊中以低浓度出现。在发育后期，解毒剂在从母本酵母细胞继承了wtf4的孢子中富集。

研究人员发现，继承了驱动基因的孢子在孢子内制造了额外的解毒剂蛋白，以中和毒素并确保它们的存活。

研究小组还发现，一种控制孢子形成过程中许多其他基因的特殊分子开关也控制着wtf4基因中毒性的表达，但不控制解毒剂的表达。这种开关对酵母繁殖至关重要，并且与wtf4有着不可分割的联系，这有助于解释为什么这种自私的基因如此成功地避开了宿主禁用开关的任何尝试。

Nidamangala Srinivasa说:“我们认为这些东西存在了这么长时间的原因之一是，它们使用了这种狡猾的策略，即利用酵母繁殖的相同基本开关。”

Nuckolls说:“如果我们能操纵这些DNA寄生虫在蚊子体内表达，并驱动它们的毁灭，这可能是控制害虫物种的一种方法。”

参考:

S. pombe wtf drivers use dual transcriptional regulation and selective protein exclusion from spores to cause meiotic drive