进化的军备竞赛可能有助于保持细胞分裂的诚实

出于多种原因，卵子和精子是特殊细胞，但使它们与众不同的特征之一是与其他人类细胞不同，后者具有两份 23 条染色体，一条来自母亲，另一条来自父亲，这些性细胞或配子，只有一个。

宾夕法尼亚大学艺术与科学学院的迈克尔·兰普森 (Michael Lampson) 领导的先前研究表明，这些染色体不会偶然传递给配子。某些因素可能会影响天平，使两个副本中的一个更有可能传给下一代。

在一篇新论文中，兰普森及其同事发现了一种在减数分裂过程中平衡尺度的力量，减数分裂是产生配子的细胞分裂过程，使特定染色体进入有活力的卵子的几率接近 50-50。

发表在《细胞》杂志上的这项工作发现，虽然存在一种机制可以在减数分裂过程中让某些染色体占上风，但一个单独的平行途径会抑制这种优势。研究人员表示，在这两种途径中起作用的蛋白质似乎处于进化军备竞赛中，这有可能避免染色体遗传的偏差导致卵子的错误和异常，例如非整倍体，或染色体数量异常，从而可能导致出生缺陷。

“如果我们认为这些进入卵子的染色体是自私的，那么自私意味着它们以对整个生物体的某些代价最大化自己的传播，”兰普森说。“如果有代价，那么可能会有其他基因承受压力，去压制自私的基因或压制这种代价。”

目前的工作旨在寻找这种抑制途径，以 2017 年发表在《科学》上的一篇论文为基础，其中兰普森和他的实验室成员阐述了减数分裂纺锤体中出现不对称的机制，减数分裂纺锤体是一种由微管组成的结构，将染色体拉向相反的方向分裂前细胞的侧面。这种不对称导致了染色体传递的偏差。他们发现，“自私”着丝粒，即附着在纺锤体上的染色体部分，比“无私”着丝粒更有可能脱离并重新附着到注定要成为有活力的卵子的细胞一侧而不是极体，通常会退化。

然后，在 2019 年发表于Cell 的一篇论文中，研究人员阐述了该过程的更多细节。他们发现自私的着丝粒能够通过招募某些破坏纺锤体附着的蛋白质来偏向传播，再次增加了进入卵子而不是极体的机会。这些蛋白质在使着丝粒从纺锤体脱离方面发挥了作用。

“我们已经对自私的运作方式有了这种理解，”兰普森说，因此在新论文中，“我们想了解抑制的运作方式。”

早期的研究表明，一些作用于着丝粒的蛋白质在各种动物物种中迅速进化。兰普森及其同事假设，这种快速进化可能是自私因素和抑制因素之间“军备竞赛”的证据，类似于在免疫系统中看到的情况，免疫系统可以快速进化以应对病原体不断变化的威胁。

“在着丝粒处发现一大堆快速进化的蛋白质是令人惊讶的，因为你可能会认为它们是高度保守的，因为它们在细胞分裂中非常重要，”兰普森说。“但这是军备竞赛的一个标志，就像我们在免疫系统中看到的那样：如果自私的着丝粒会作弊，那么可能会有蛋白质进化来抑制这种抑制。”

研究人员已经知道，偏向染色体传递的效应蛋白通过一种称为动粒途径的途径被招募到着丝粒。为了找到抑制途径，他们研究了异染色质，即紧密堆积的 DNA，也已知将蛋白质募集到着丝粒。为了测试异染色质通路是否可能平衡动粒通路的偏向效应，研究人员选择性地修饰了在每个通路中起作用的酶。

当他们修改蛋白质CENP-C，破坏着丝粒通路时，他们观察到自私和无私的着丝粒下降之间的偏差，在减数分裂完成之前，染色体在细胞中更对称地排列。相比之下，当他们删除参与异染色质途径中募集蛋白质的蛋白质 CENP-B 时，染色体的不对称性变得更加明显，自私的着丝粒允许将染色体传递给卵子。

“似乎有这些微妙的变化在起作用，”兰普森说，“因为这两种途径都是必不可少的。你不能杀死动粒途径，因为它是细胞分裂的基础，但同时你想减少机会因为着丝粒是自私的。所以进化似乎正在对这些同时发生的压力做出反应。”

兰普森说，这些发现阐明了我们身体中存在的进化战场。“我认为我们自己基因组的这些自私成分具有重要作用，这真的很有趣。我们细胞生物学的这些非常非常基本的方面实际上反映了竞争压力。”

他和同事希望在后续工作中继续探索自私因素的潜在成本是否会导致配子生产中的影响性错误或减数分裂中的其他问题。“雌性不会产生很多卵子，”兰普森说，“所以你会认为每个卵子都很珍贵，我们不想犯任何错误。但错误有时会发生;有时进入的染色体太多。所以，错误是否与这些自私的因素有关?”

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