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7种性别,四膜虫决定子代交配型的方式太草率了!

早在60年前,科学家就已发现单细胞生物四膜虫具有7种性别。现在,加州大学圣塔芭芭拉分校、中科院水生生物研究所和克雷格•文特尔研究所组成的研究团队,终于发现了四膜虫的性别决定机制,研究结果26日发表于 PLoS Biology。果壳网就此对论文的通讯作者、四膜虫领域的大牛、加州大学圣芭芭拉分校的教授爱德华多•奥利亚斯(Eduardo Orias)进行了采访。

“亲代的交配型丝毫不会影响到子代的交配型。决定过程是完全随机的,就像是有6个数字的轮盘游戏,石球落在哪个数字上,子代就形成与之对应的交配型。它们的交配型可能碰巧与亲代一样——不过也仅仅是碰巧而已。”奥利亚斯感叹道:“这真是个非常吸引人的系统。”

和人类一样,四膜虫(Tetrahymena thermophila)是一种真核生物,但它们的细胞内却有两个核——生殖核(小核)和体核(大核)。生殖核储存有性生殖子代的遗传信息,体核则负责细胞运作。在环境中的营养充足时,四膜虫采取无性繁殖;这种情况下,生殖核是沉默的,活跃的基因表达都发生在体核中。而在外界营养不足时,四膜虫会以“接合”(注:指某些真菌、细菌、绿藻和原生动物有性生殖时,两个细胞之间发生的一种遗传物质交换现象。左图即为正在接合的四膜虫,来源:sciencedirect.com)的方式繁殖。任意性别(交配型I~VII)的纤毛虫,都可以和其他6种性别的同类进行有性繁殖。接合过程中,亲代虫体的体核消失,生殖核形成接合核,接合核分化为子代虫体的新体核和生殖核,子代性别随后被确定。

利用具有6种交配型(II~VII)的四膜虫细胞株,研究者利用转录组测序技术,鉴定出了交配型基因MTA和MTB。在不同性别的四膜虫的体核中,各有一种交配型特异的MTA/MTB基因对,代表着虫体的交配型。而四膜虫的生殖核基因组中则存在全部6种MTA/MTB基因对,每种基因对对应一种交配型。

后续的鉴定揭示了这6种基因对在生殖核中的排列方式——它们所对应的交配型按照“II-V-VI-IV-VII-III”的顺序串联。与在体核中不同,生殖核中的这些MTA/MTB基因对的两端都是残缺的。只有整串基因的两端,即II型的MTA片段和III型的MTB片段完好无损。


在四膜虫通过接合产生子代时,子代的体核在发育过程中需要在6种残缺的基因对中挑出一种,并组装成完整的基因对,才能使子代呈现对应的交配型。研究者发现,这一交配型选择过程是随机的——在子代的体核发育过程中,上述串联的交配型基因序列会发生一系列随机的剪切-连接反应。6种残缺的基因对中的5种会随着反应的进行被删掉,而剩下的一对则会与II型的MTA末端序列以及III型的MTB末端序列组装,形成具有功能的完整MTA/MTB基因对。图片:Eduardo Orias et al.(2013)。

奥利亚斯在接受果壳网采访时表示,“饥饿状态下,有更多的交配型似乎意味着增加彼此交配型不同的概率,使细胞更可能成功接合”;温度等环境因素也会改变各交配型的相对概率,但“交配型的决定过程仍然是随机的,就像把轮盘的其中一些凹槽拓宽,而将另一些缩窄了似的,但轮盘还是得转”。

执行这种随机决定交配型的方式其实需要很高的精确性和可靠性,奥利亚斯对此解释说:“随机决定的交配型使得任意两种细胞接合产生的子代都能保持完整的多样性。当同一片池塘的四膜虫遭遇种群大小的‘瓶颈’时,随机决定交配型更利于防止交配型发生永久丧失。”

“四膜虫有很多基本的细胞生物学机制与人类是共通的”,被问及这些在四膜虫身上的发现在医学领域有什么潜在应用价值时,奥利亚斯指出,对四膜虫异体识别的机制研究,可能有利于阐释人类中的相似现象。同种异型识别的机制可能被运用在器官移植、抗感染等的临床应用上。研究还可能帮助阐释一些癌症的发生过程。

这个系统仍有很多细节有待发掘。四膜虫在大量的DNA重排反应后仍能保持交配型基因完整性,这项机制的阐明可能使我们对DNA编辑和DNA修复机制有更深刻的认识。

研究组的部分成员合影


来自中国科学院水生生物研究所的研究团队,左起:袁冬霞,缪,熊杰 供图:Eduardo Orias


左起:Eileen P. Hamilton, Marcella D. Cervantes, Michael J. Lawson 和 Eduardo Orias.供图:Eduardo Orias


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信息来源:EurekAlert!
文章图片:sciencedirect.com;(小图)Shutterstock 友情提供

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发布于2013-03-27, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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