百年之謎解開：性細胞如何獲得正確的基因組合

擬南芥減數分裂細胞

使用超分辨率顯微鏡對擬南芥減數分裂細胞進行成像，顯示藍色為 DNA，紅色為蛋白質 HEI10，綠色為 ZYP1，黃色為 ASY1。來源：約翰英尼斯中心

一項新發現解釋了是什么決定了性細胞中發生的遺傳交換的數量和位置，例如植物的花粉和卵子，或人類的精子和卵子。

當性細胞通過一種稱為減數分裂的特殊細胞分裂產生時，染色體會交換大量DNA 片段。這確保了每個新細胞都具有獨特的基因組成，并解釋了為什么除了同卵雙胞胎之外，沒有兩個兄弟姐妹在基因上是完全相似的。這些 DNA 交換或交叉對于產生遺傳多樣性、進化的驅動力以及它們在染色體上的頻率和位置受到嚴格控制是必不可少的。

該研究的共同第一作者克里斯·摩根博士解釋了這一現象的重要性：“交叉定位對進化、生育和選擇性育種具有重要意義。通過了解驅動交叉定位的機制，我們更有可能發現修改交叉定位的方法，以改進當前的動植物育種技術。”

盡管進行了一個多世紀的研究，但決定交叉形成的位置和數量的細胞機制仍然很神秘，這個謎團讓許多杰出的科學家著迷和沮喪。“交叉干擾”一詞是在 1915 年創造的，描述了當交叉發生在染色體上的一個位置時，它會抑制附近交叉的形成。

使用數學建模和“3D-SIM”超分辨率顯微鏡的尖端組合，約翰英內斯中心研究人員團隊通過確定一種確保交叉數量和位置“恰到好處”的機制，解決了這個百年之謎: 不要太多，不要太少，不要太靠近。

該團隊研究了一種名為 HEI10 的蛋白質的行為，該蛋白質在減數分裂的交叉形成中起著不可或缺的作用。超分辨率顯微鏡顯示 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 蛋白只集中在少數更大的簇中，一旦它們達到臨界質量，就會觸發交叉形成。

然后將這些測量結果與模擬這種聚類的數學模型進行比較，該模型基于 HEI10 分子的擴散及其聚類的簡單規則。該數學模型能夠解釋和預測許多實驗觀察結果，包括可以通過簡單地改變 HEI10 的量來可靠地修改交叉頻率。

共同第一作者 John Fozard 博士解釋說：“我們的研究表明，來自擬南芥生殖細胞超分辨率圖像的數據與擬南芥交叉模式的數學‘擴散介導粗化’模型一致。該模型幫助我們了解沿減數分裂染色體的交叉模式。”

這項工作建立在約翰英尼斯中心使用植物作為模式生物來研究遺傳學的保守和基本方面的遺產之上。1930 年代，JIC 校友 JBS Haldane 和 Cyril Darlington 也研究了同樣的過程。該模型還支持另一位著名的 JIC 校友 Robin Holliday 在 1970 年代所做的預測。

通訊作者 Martin Howard 教授補充說：“這項工作是跨學科研究的一個很好的例子，其中需要前沿實驗和數學建模來解鎖機制的核心。一個令人興奮的未來途徑將是評估我們的模型是否能夠成功地解釋其他不同生物體的交叉模式。”

這項研究對于小麥等谷類作物特別有價值，因為在這些作物中，交叉大多局限于染色體的特定區域，從而阻止了這些植物的全部遺傳潛力可供植物育種者使用。

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