生殖細胞減數分裂之謎被破解

2021年，來自英國約翰·英納斯中心的研究人員利用一種跨學科的方法解決了一個百年來的難題——生殖細胞在減數分裂過程中如何確定DNA交換的數量和位置。

細胞減數分裂是指有性繁殖的生物在生殖細胞成熟過程中發生的特殊分裂方式，在這一過程中，同源染色體間會交換大部分DNA。這些DNA在染色體上的數量和位置都是特定的，它們的交叉互換是為了基因重組，對于遺傳多樣性必不可少。這確保了每個新細胞都有獨特的基因構成，并解釋了為什么除同卵雙胞胎外，沒有兩個兄弟姐妹的基因是完全相同的。

同源染色體之間的基因交換，稱為同源重組。“重組位點干擾”又叫“交換干涉”，是指減數分裂過程中，當一個染色體上的一個DNA位置發生交換時，會抑制附近其他重組位點發生的概率。

研究人員利用數學建模和“3D-SIM”超分辨率顯微鏡，確定了一種確保DNA交換數量和位置“恰到好處”的機制，從而解開了細胞減數分裂這一百年之謎：數量不會太多，也不會太少，位置也不會太近。

他們研究了擬南芥中一種名為HEI10的蛋白質的行為，這種蛋白質在減數分裂的交換形成中發揮重要作用。超分辨顯微鏡顯示HEI10蛋白沿著染色體聚集，最初形成許多小群體。然而，隨著時間的推移，HEI10蛋白只集中在少數大得多的聚類中，一旦達到臨界質量，就可以觸發交換。

然后，研究人員將顯微鏡觀測數據與模擬這種聚類的數學模型進行了比較，發現二者是一致的。這種數學模型有助研究人員理解減數分裂染色體上的DNA交換模式。

研究人員表示，這項研究對于小麥等谷類作物尤其有價值，因為這些作物的雜交大多局限于染色體的特定區域，使植物育種專家無法充分利用這些植物的遺傳潛力。

該研究論文的第一作者克里斯·摩根博士稱：“DNA交叉互換定位對進化、生育和選擇性繁殖具有重要意義。通過了解驅動交換定位的機制，我們更有可能發現改進交換定位的方法，以改進目前的動植物育種技術。”

減數分裂是有性生殖生物在生殖細胞成熟過程中發生的特殊分裂方式。有性生殖的后代，其實只遺傳父母各一半的基因，但也正是因為這種方式能產生基因不一樣的后代，才能有所進化。本文中所述的研究，是要知道在減數分裂的過程中，那些精巧的、恰到好處的DNA交叉互換是怎么完成的。研究團隊發現，一種蛋白質扮演了重要角色，它就可以觸發交換。研究人員認為，他們的發現可以改進目前的動植物育種技術，就是不知道這種方法和基因編輯相比，哪個更為有效和實用。