物种的起源

 行业动态     |      2021-04-30 11:48

牛津大学威康人类遗传学信托基金的研究
梯度PCR仪人员进行的一项研究揭示了单个基因在动物群如何分裂形成新物种方面所起的关键作用。今天发表在《自然》杂志上的这项研究,通过用人类版本取代Prdm9基因的一部分,恢复了两个亚种小鼠正常不育的后代的生育能力。尽管近1.5亿年的进化将老鼠和人类分开,但这些"人性化"的老鼠完全肥沃。当动物群体被孤立,因此,通过进化(一种称为物种化的过程)开始分离时,就会形成新的动物物种。当这些孤立的种群后来相遇时,它们也许能够相互繁殖,但雄性后代往往不育。马和驴是这种物种的一个例子:它们可以杂交,但是它们的后代,粽子,不孕不育。

这项研究的第一作者、纽菲尔德医学系的本·戴维斯博士说:"我们的研究研究了杂交家鼠的类似不育,他们的双亲来自西欧和东欧的不同亚种。因此,这两个亚种即将分裂成两个完全不同的物种,因为像粽子一样,它们的后代是不孕不育的。

戴维斯博士和他的同事研究了Prdm9基因:众所周知,这种基因在不同物种的小鼠体内不孕不育有一定作用,事实上是哺乳动物中唯一已知的斑点基因。然而,物种如何可能与不孕症联系起来尚不得而知。

先前的线索来自西蒙·迈尔斯教授和彼得·唐纳利教授的早期作品,这两位资深作者是这项研究的作者。他们的研究发现,Prdm9基因产生的蛋白质决定了母体和父系染色体在基因组中的哪些位置交换遗传信息:这个过程称为重组,它控制着基因如何通过一个物种传递。

为了弄清楚基因在物种形成方式上的确切参与,威康人类遗传学信托中心的转基因、染色体动力学和基因组学核心设施聚集在一起进行了一项新的研究。这些小组用人类的等效序列取代了负责DNA结合的老鼠Prdm9基因区域,从而完全改变了沿基因组进行重组的位置。

迈尔斯教授说:"这种变化的影响令人吃惊"。当这些人性化小鼠与其他亚种小鼠交叉时,后代不再不育,而是完全肥沃:将人类版本的基因的关键部分插入小鼠DNA结合域,完全扭转了杂交小鼠的不孕不育。因此,物种化似乎是一个潜在的可逆事件,至少在小鼠中是这样,其中人类等位基因模拟了当随机Prdm9突变发生时可能发生的情况。

 

实验中只改变了PRDM9蛋白的结合特性,因此研究人员还更详细地调查了PRDM9与DNA的结合。他们发现,不孕不育的老鼠杂交显示出一种惊人的模式:小鼠PRDM9蛋白会与其中一条染色体结合,但不是两者兼有。尽管它们携带的每个染色体的两个拷贝(每个亚种各一个)的总体相似程度超过98%,但还是发生了这种情况。

研究人员发现,产生这种奇怪的结合模式是因为在几代人的时间里,正常的小鼠PRDM9蛋白侵蚀了它与之结合的DNA序列,导致不孕不育杂交中出现的不对称染色体结合模式。研究人员认为,不对称结合使得染色体在卵子和精子细胞形成时更难成功识别和相互接触。结果是,在许多不同的杂交小鼠中,不对称的PRDM9结合与染色体正确接触的失败率增加有关,导致越来越多的生育问题。

唐纳利教授说:"我们认为PRDM9对染色体的对称标记有助于它们的配对:PRDM9结合非常不对称,这会导致配对困难、重组修复失败,以及我们在一些小鼠杂交中看到的不孕不育。"这些结果还突出了了解Prdm9基因与它所居住的全基因组的共同进化是多么重要:我们现在有了一个新的机制,用于分离密切相关的亚种。

研究小组现在正忙于重新设计Prdm9基因的不同版本,以进一步探索,他们希望找出DNA结合的对称性究竟如何影响染色体的配对。