【Nature】男生男 女生女的遗传机制

  原生动物草履虫(第四双小核草履虫,Paramecium tetraurelia)的后代始终保持“男生男,女生女”,研究人员发现这种遗传是由于一种RNA指导的DNA缺失途径导致的,这一途径能基因组免受外源DNA序列的影响。

  异性相吸。对于单细胞生物第四双小核草履虫(Paramecium tetraurelia)来说,这种两性其实是两种不同的交配型,即偶(E) 和奇(O),E和O细胞之间的性别差异是通过接合(conjugation)过程完成的,这个过程是一种可逆细胞融合过程,细胞之间相互交换遗传物质,然后重新分离到子代细胞中。

  虽然这些后代开始发育时都具有相同的基因组混合物,但是每个细胞都会以某种方式保持自己的亲代配对型:E生成E,O生成O。这个特殊的遗传方式一直以来都是一个谜,不过近期的一项研究发现,小RNA是其中的关键,能帮助亲代细胞将特殊配对型遗传信息传递给子代细胞。

  草履虫Paramecium是纤毛纲的代表类生物,其生殖可分为无性生殖和有性生殖。有性生殖为接合生殖,也就是2个草履虫口沟对口沟粘合在一起,粘合处细胞膜溶解,两个虫体的细胞质相通,小核离开大核,两次形成4个核,其中3个解体,剩下的1个小核又成大小不等的2个核,大核逐渐消失。然后两虫体互换其新小核,并与对方较大核融合,这一过程相当于受精作用。

  此后两虫体分开,接合核三次成为8个核,4个变为大核,其余4核有3个解体,剩下1核为2小核,再为4小核,每个虫体也2次,结果原接合的两亲本虫体各形成4个草履虫,新形成的8个草履虫都有一大核,一小核。虽然这些子代的基因组是亲代基因组的融合,但是子代细胞仍具有接合生殖前与亲代细胞相同的配对型。

  在这篇文章中,研究人员发现E细胞吸引O细胞,是通过E细胞表达一种称为mtA的细胞表面蛋白。这种蛋白只在E细胞中表达,因为mtA基因的启动子序列就像是O细胞体细胞核中的一种转座子延伸序列,因此在O细胞中被靶向删除了。

  在发育过程中,E细胞大核并没有删去这一启动子的原因是,这一序列存在于E亲代体细胞基因组中,研究人员指出,mtA启动子的存在与否是由于亲代和子代基因组是否具有同源RNAs的原因,这些RNA能有效的或促进DNA删除,从而确保配对型能遗传给下一代。这一过程被认为是一种表观遗传现象,因为两种细胞最开始的DNA序列是相同的,不同的是基因活性模式。

  虽然这种DNA删除途径只存在于纤毛虫中,但RNA介导的基因沉默却广泛存在,一些研究也表明小RNA具有跨代遗传的作用,比如,在果蝇中,母代染色体末端产生的piRNA可以沉默转座子,以及基因组中其他同源序列。而秀丽隐杆线虫中的三个小RNA,也能合作实验的基因,无论这一基因在亲代中是否表达,从而识别基因组中的外来基因。

  这项研究中,研究人员发现编码和非编码序列之间可以进行比较,因为生殖细胞小RNAs和体细胞组之间的全基因组互补是在细胞”发育“过程中产生的。

  piRNA途径一般被认为是一种区分和非的方式,可以用于沉默外来基因组入侵者(比如转座元件),但是这项研究发现RNA介导的基因组防御途径演变成表观遗传调控方式,值得深思。

  同期Nature也刊发一篇评论性文章,指出揭开草履虫性别生殖遗传的奥秘,花费了科学家们将近75年的时间,希望这将有助于解析同源RNAs在细胞内在基因调控方面的新作用。

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