科學家制備出非孟德爾遺傳線蟲

日期：2016-09-09 09:01:35

一個改變了的有絲分裂紡錘體，可防止母本和父本DNA的混合，從而產生了一個單親的后代。那么它可能對印跡和表觀遺傳學研究有何影響呢？

性可能是神秘的，但從遺傳學上來說，接下來會發生什么并不神秘。精子遇到卵子，遺傳混合隨之而來，然后，承載著母親和父親混合遺傳屬性的下一代就出生了。

這個過程被稱為孟德爾遺傳，自古以來，正是通過這種方式，有性生殖的生物——從人類、果蠅到恐龍得以繁衍生息。但事實證明，他們不一定要這樣。

在《Nature Biotechnology》發表的一項研究中，馬克斯普朗克生物物理化學研究所的Judith Besseling和Henrik Bringmann，在秀麗隱桿線蟲中描述了一種所謂的“非孟德爾遺傳”的策略。修補有絲分裂紡錘體，可破壞在第一個胚胎細胞分裂前發生的母系和父系遺傳物質融合。因此，通過這個過程所產生的細胞代表父母其中一方，而不是兩方。

瑞士洛桑大學的博士后研究員Alexandra Bezler也研究非孟德爾遺傳，她說：“這項研究是開創性的。以前沒有人這樣做過。”

據Bringmann介紹，該方法具有廣泛的應用范圍，從育種學和表觀遺傳學，到合成生物學。“這是一個很好的概念驗證，表明通過改變細胞的生物學結構，我們可以制備具有新性能的細胞——并最終制備出動物。”

調節基因的表達

孟德爾遺傳并非Bringmann的研究重點。他的實驗室主要集中于睡眠的調節和功能，但在遺傳學和細胞生物學的背景下，他還研究有絲分裂紡錘體。

在2011年，Bringmann的研究團隊描述了一種方法，通過調整密碼子的使用，來調節線蟲外源蛋白的表達。基本上，通過細胞的tRNA豐度來指導一個轉基因中密碼子的使用，該團隊發現，他們可以促進或抑制線蟲體內的蛋白表達。他們用來測試這種方法的其中一個蛋白是GPR-1——有絲分裂紡錘體的一個組成部分。

在細胞分裂中期，有絲分裂紡錘體由微管和分子馬達構建而成，定位在分裂細胞中心的姐妹染色單體，然后在后期把單個染色體分開，從而確保兩個子細胞能接收全部的遺傳物質。

GPR-1是這一過程的一個臨界力調節器。GPR-1缺失可削弱紡錘體拉力；蛋白質的過度表達可能分解結構，從而產生的不是一個雙記紡錘體，而是兩個單極紡錘體。Bringmann想知道，在胚胎發育的第一次細胞分裂過程中發生了什么。

為了弄清這一點，他和Besseling使用密碼子適應性來增加GPR-1在秀麗隱桿線蟲生殖細胞中的特異表達。然后他們讓一個精子和一個卵子受精，并通過時間推移顯微鏡觀察發生了什么事。據預測，兩個原核——每一個都包含一個親本的遺傳物質，被猛拉分離成兩個子細胞，才可以融合。因此，從這些胚胎生長起來的線蟲，含有來自父親或母親的遺傳物質，而不是兩者兼有。

Bringmann說：“這是一件很酷的事情，并且它是可行的。每當你將這些有絲分裂紡錘體混在一起時，通常會有一種致命的殺傷力。但在這種情況下，遺傳物質的分離是如此的干凈，因此能使胚胎存活下來。”

五彩繽紛的線蟲

為了生動地證明這一點，Besseling和Bringmann用綠色熒光蛋白（GFP）標記GPR-1過表達的雌雄同體，用紅色熒光蛋白tdTomato標記正常雄性個體。在正常的孟德爾遺傳中，產生的后代是由完全表達兩個蛋白（在雙色覆蓋中它們顯示黃色）的細胞構成的。但是當GPR-1過表達時，動物包含的細胞是單色的。

在模式生物中，線蟲是獨一無二的，因為它有一個定義的和不變的細胞譜系。研究人員已經精確地查明在成蟲中哪一個細胞是由哪一個祖細胞產生的，并且他們可以將這些譜系一直追溯到兩細胞階段。當一個線蟲受精卵分裂時，它產生了兩個細胞，AB和P1。前者產生特定的體細胞組織，包括神經系統；后者產生其余的體細胞組織，以及生殖細胞系。通常情況下，這并不重要，因為每一個細胞都是相同的。但是使用Bringmann的技術，如果AB細胞是父系來源，結果將是，這條線蟲具有一個父系的神經系統和母系的配子；如果AB細胞是母系來源（如最常見的情況），則情況可能是相反的。

Bringmann說：“最終，這是克隆動物的一種新方法。”

該小組報道了28%的相對高的致死率，在一些組合中是63%，可能源于一個事實：雄性線蟲沒有Y染色體——它們是“XO”。作為父系來源的配子沒有X染色體，具有父本配子的非孟德爾線蟲，在與雄性交配時有50 / 50的機會產生一個完全不包含X染色體的胚胎。這些細胞顯然是不能存活的。”