是什么让四个物种分化 自私基因在区分物种中的

作者:生命科学

图片 1

图片 2

图片 3

杂交血吸虫能耐见长 热带病如何入侵欧洲

利什曼原虫 - 导致皮肤和内脏器官感染的单细胞寄生虫 - 长期以来一直被称为像细菌一样无性繁殖。但偶尔会有研究人员发现混合寄生虫携带来自利什曼原虫的一种以上菌株(甚至不止一种)的遗传物质,这表明正在进行某种遗传混合。

大多数进化生物学家基于繁殖力将一个物种与另一个物种区分开来:不同物种的成员要么彼此不交配,要么不交配,或者,如果他们这样做,所产生的后代往往是无菌的,不可行的,或遭受其他种类的减少健康。

一项刚刚在自然杂志上发表的一项研究发现,贝克的酵母经过大规模的重组而不是基因,而是生存,保护和控制DNA代码的染色体上层结构,从而生存和生长。

图片 4

现在,华盛顿大学圣路易斯医学院和美国国立卫生研究院(NIH)的研究人员发现,混合利什曼原虫寄生虫可以相互交配,产生携带父母双基因的肥沃后代

真实的迹象性生殖周期。研究人员希望利用他们的遗传重新混合作为工具,找到与Leishmanial病有关的基因。

我们想知道的是为什么一种菌株导致轻微的疾病形式,另一种导致致死形式,或寄生虫如何逃避免疫反应,共同资深作者斯蒂芬贝弗利博士说,他是分子微生物学教授。医学院。通过产生具有不同特征的后代,我们可以识别导致严重疾病或免疫抵抗的基因。这可能是朝着更好的治疗或预防迈出的一步。

该研究结果可在PLOS Genetics在线获得。

热带国家有超过100万人每年通过被感染的沙蝇叮咬感染利什曼原虫。大多数人在叮咬部位出现毁容

  • 但不会危及生命 - 皮肤病变。但是,如果寄生虫扩散到内脏器官,就会导致一种被称为内脏利什曼病的疾病,每年造成3万多人死亡。

Beverley及其同事,包括长期合作者和共同资深作者,美国国立卫生研究院国家过敏和传染病研究所细胞内寄生虫生物学科主任David Sacks博士在2009年发现了寄生虫可以交配并产生杂交的暗示。携带父母双方混合基因的后代。

仅杂交的存在并不能证明真正的性周期。例如,密苏里骡子是驴和马的混合体,强壮有力但无菌。科学家需要能够研究第二代,以确定导致疾病或干扰人体免疫反应的基因。为了确定杂交寄生虫是否具有生育能力,共同资深作者Sacks,Beverley及其同事,包括联合第一作者,美国国立卫生研究院前研究员Ehud Inbar博士和美国国立卫生研究院生物信息学专家Jahangheer Shaik博士,分析了涉及杂交后代的交配的遗传模式。

由于寄生虫仅在沙蝇的肠道内交配,研究人员通过喂食沙蝇两种利什曼原虫菌株的混合物来创造杂交后代。人们通常只携带我们23条染色体中的每一条的两个拷贝,但利什曼原虫染色体的拷贝数可以变化。通常,它们的大多数染色体是在配对中发现的,但是一些染色体可以以三个或更多个拷贝存在。在以前的研究中,研究人员发现杂种后代遗传了大多数染色体的两个拷贝,每个染色体来自一个父母。但如果他们的父母携带特定染色体的额外拷贝,杂交寄生虫可以继承第三,第四甚至第五拷贝。

为了测试杂种寄生虫是否具有生育能力,研究人员给沙蝇喂食了一种与其亲本菌株或外部菌株混合的杂交寄生虫。他们发现杂交寄生虫产生了它们自己的后代,并且后代通常从每个亲本遗传一条染色体,正如预期的真正的有性繁殖。后代的染色体也显示出广泛的遗传重组迹象

  • 这意味着来自一个亲本染色体的DNA片段已被另一个父母染色体的DNA片段切换 - 这是真正有性生殖的另一个标志。

通过研究杂交寄生虫及其重组后代,研究人员将能够绘制参与引起疾病和抵抗免疫反应的基因染色体上的位置。这样的遗传图谱将有助于理解为什么某些菌株比其他菌株引起更严重的疾病,以及如何加强对寄生虫的免疫应答。

好消息是我们用新的基因组合产生了后代,这对我们的目的来说是完美的,贝弗利说。不太好的消息是,我们只能获得少数,这足以建立他们的生育能力,但还不足以制作高分辨率的毒力基因图谱。

研究人员现在正在试图弄清楚为什么混合寄生虫在交配时很少成功。

如果你是一个微生物,并且你有一个成功的基因组合,可以让你茁壮成长,那么你大部分时间都会无性繁殖,因为为什么要把好东西搞得一团糟?贝弗利说。但即便如此,你可能想要不时地混淆一下,看看新的遗传组合是否会更加成功。因此,微生物有机制通过有性生殖重新调整其遗传物质,但也防止过度重组的机制,以便他们能够维持获胜的遗传组合并限制近亲繁殖。如果我们能够找出限制我们实验性杂交寄生虫交配的东西,我们可能会发现一些关于繁殖生物学的新知识。 ,我们可以将它扭曲到我们自己的目的,并学习如何创造超级肥沃的杂交寄生虫。然后我们可以用它们来找出我们需要知道它们如何导致疾病。

在20世纪的大部分时间里,科学家认为这种生殖不相容性在物种之间逐渐演变为适应不同生态环境的副产品:如果两个物种在地理上被隔离,它们将根据环境适应差异。罗切斯特大学与内布拉斯加大学合作进行的一项新研究显示,还有更多的因素在起作用

特别是存在称为减数分裂驱动元素的自私基因,它们在物种之间的流动可能决定了两个物种收敛或分歧。在eLife期刊上发表的一篇新论文中研究人员表明,性染色体在物种之间的遗传不相容性比其他遗传染色体更快,并揭示了这种不相容性的因素。

当一个物种的两个成员交配并交换遗传物质时,这被称为基因流。然而,当不同物种的两个成员交配时,基因流减少。一个物种的基因根本无法与其他物种的基因交流,罗切斯特大学生物学教授达文普雷格雷夫斯说。虽然基因可能在其自身的遗传背景下工作正常,但当它们进入另一物种的遗传背景时,它们会产生负面影响。你和我的所有基因拷贝都在人类基因组中工作。但是如果我们从你身上取出一个基因并将其粘在金刚鹦鹉鹦鹉身上,他们之前就没有看过这个序列,它可能无法与其他基因。这会影响某种功能,如生育能力。

当Presgraves和他的实验室成员穿过两种不同种类的果蝇时,就会发生这种情况,一种来自马达加斯加,另一种来自毛里求斯岛。当两个物种杂交时,它们的雌性杂交后代是可育的,但是杂种雄性后代是完全无菌的。Presgraves说:完成生殖隔离途径的一个步骤是,XY性别首先变得无菌,逐渐形成不相容性。在果蝇的情况下,如在人类中,XY性别是男性。

染色体分为两种类型:异体,性染色体,常染色体或体染色体。与生物体性别相关的遗传特征通过性染色体传递。遗传遗传信息的其余部分通过常染色体传递。当研究人员绘制出导致杂交雄性变得无菌的因素时,他们发现与常染色体相比,X异体体上存在更多的不相容因子。Presgraves说,这意味着性染色体在物种间的功能差异远远快于非性染色体。在常染色体之间进行的交换比在X上的要多得多。

但是什么使得性染色体比基因组的其他部分更快地积累遗传不相容性?

在纽约大学医学院的带领下,一个研究小组将染色体分阶段融合在一起,直到一种单细胞真菌酿酒酵母中的6,000个基因被包含在两个大的染色体中,而不是每个细胞核中的自然发生的16个染色体。研究人员还发现,如果从他们的每个父母遗传的染色体数量之间的差异变得太大,这种酵母物种的成员就不能再制造出有活力的生殖细胞。

卡瓦河流域至少有120人感染了血吸虫病,其附近的另一条河流也被污染了。

研究人员发现,一类称为减数分裂驱动元素的自私基因是导致性染色体在遗传上不相容的原因。一般而言,自私基因是基因组的寄生虫

它们以牺牲其他基因为代价进行繁殖。减数分裂驱动元素特别破坏了典型遗传的规则:在正常的孟德尔遗传中,一个基因传递给后代的一半。然而,减数分裂驱动元件操纵繁殖,因此它们可以将自身传递给超过其基因组的公平份额。在混合雄性果蝇中,减数分裂驱动元件通常杀死任何不携带它们的精子,只留下(或大部分)带有减数分裂驱动元件的精子。

这可能是因为来自两个亲本物种的多种减数分裂驱动元素在杂种中没有抑制,它们的联合作用导致不育,Presgraves实验室的前博士后学生Colin Meiklejohn说。

然而,研究人员还发现,如果减数分裂驱动元件能够经历基因流动,它们还可以帮助将物种聚集在一起。在早期物种形成期间,当两种不同的物种刚刚开始相互脱离时,生殖不相容性可能是不完整的并且渗漏

  • 基因组的某些部分仍然可以兼容和交换。

Presgraves说:如果有两个群体泄漏并且有基因流动的机会,那么一个自私的基因可以泄漏到其他群体并传播到那里。如果物种杂交并且这种自私的基因能够被传递下来,而不是变得不相容,基因组的那部分将变得完全可交换。在某些情况下,自私的基因将基本上消除不相容性的积累。基因组。

也就是说,减数分裂驱动元素如果它们没有经历基因流动就会导致物种之间的不相容,或者如果物种确实经历基因流动,它们可以引起物种的收敛。Presgraves说,决定物种是否兼容的一个主要因素取决于物种之间是否存在基因流动。物种

  • 即使是地理上孤立的物种 - 也比我们想象的要大得多。

研究作者说,在酵母菌株之间进行这种生殖隔离工程必须实现酵母的某些希望的,未来的应用

如回收农业废物来制造燃料,或通过补充牲畜饲料来对抗饥饿。这样的努力需要产生可以释放到田间的菌株,但是不能与天然存在的酵母交配以改变生态系统。

将来,更好地了解染色体如何在性细胞中被复制和分配 - 酵母中的孢子;人体中的卵子和精子 - 可能会提出一些方法来对抗导致人体细胞传递过短,太长,缺失或多余染色体的错误。这些事件是流产和精神发育迟滞的主要原因,包括唐氏综合症,其中胚胎接受第21条人类染色体的额外拷贝。酵母染色体与人类染色体相似,可以为研究提供良好的模型。

我们发现酵母能够耐受染色体数量的急剧变化,而不会破坏基因在其中的作用,更多证据表明它们作为工程平台的稳健性,高级研究作者,系统遗传学研究所所长Jef Boeke博士说。纽约大学朗格健康。除了应用之外,这项工作揭示了偶然的染色体重复和融合进化的狂野轨迹,一个蚂蚁物种只有一对染色体,人类有23对,一种蝴蝶有220种。我们正在学习如何一个物种变成两个。

十六分为二

研究结果涉及染色体,即大的蛋白质束,在接收到正确的信号后,通过细胞机器展开以便阅读每种细胞类型中手头工作所需的DNA指令。当需要在细胞分裂之前复制整个遗传密码时,所有染色体都会解开,其中一个细胞变成两个细胞。这种分裂或者在生长期间(有丝分裂)产生更多基因相同的细胞,或者进一步分割产生性细胞的亲本细胞的染色体轮(减数分裂),然后可以与其他性细胞结合以产生新的生物。

随着细胞准备分裂使得每个得到的细胞获得其适当的DNA份额,新复制的染色体通过称为着丝粒的特殊DNA组连接,产生具有四个染色体臂的对。每个臂都被称为端粒的DNA组封端,这些DNA可以防止酶,否则会破坏暴露的尖端。

目前的研究作者使用着名的CRISPR-Cas9基因编辑技术从整套酵母染色体(基因组)中切割出14个着丝粒和28个端粒。在没有这些端粒或着丝粒的情况下,剩余的DNA链逐步融合,直到仅剩下两个,每个含有大约一半的酿酒酵母物种的遗传物质。

有趣的是,该团队无法生成一个活酵母菌株,只有一个染色体对容纳其所有基因。作者说,这可能是因为在新菌株中运作的两条大染色体的臂上有大约590万个DNA分子字母(碱基),接近最大长度限制。比这更长,并且当细胞分裂时,手臂可能会夹住它的末端。

值得注意的是,研究人员发现酵母的染色体数量是自然界中最大尺寸的四倍,并且通过有丝分裂以与天然菌株大致相同的速率分裂和繁殖(生长)。

然而,当团队从具有不同染色体数目的酵母菌株的杂交中取出后代,然后诱导杂交的后代通过减数分裂制造性细胞时,产生活孢子的能力在下一代中下降,因为差异在两者之间增加。他们父母的染色体数目。该团队推测这是因为这种性细胞内的染色体不再排列,因此在细胞分裂过程中DNA可以被正确分割,留下一些致命的DNA剂量异常。

实验表明,8个染色体数量的差异,比如经过8次融合,足以使工程菌株与其祖先物种杂交,实现生殖隔离对于预想的应用非常重要。当一个物种的两个成员不再杂交时,他们就不能再混合DNA并随着时间的推移积累不同的遗传变化。Boeke说,这开始了他们成为不同物种的过程。

与Boeke一起,本研究的作者是纽约大学Langone Health系统遗传学研究所的Jingchuan Luo和Xiaoji Sun,以及约翰霍普金斯大学医学院分子生物学和遗传学系的Brendan Cormack。这项工作得到了美国国家科学基金会资助MCB-1616111的支持。

图片来源:BORGES SAMUEL

本文由金祥彩票发布,转载请注明来源

关键词: