2021年，來(lái)自英國(guó)約翰·英納斯中心的研究人員利用一種跨學(xué)科的方法解決了一個(gè)百年來(lái)的難題——生殖細(xì)胞在減數(shù)分裂過(guò)程中如何確定DNA交換的數(shù)量和位置。

細(xì)胞減數(shù)分裂是指有性繁殖的生物在生殖細(xì)胞成熟過(guò)程中發(fā)生的特殊分裂方式，在這一過(guò)程中，同源染色體間會(huì)交換大部分DNA。這些DNA在染色體上的數(shù)量和位置都是特定的，它們的交叉互換是為了基因重組，對(duì)于遺傳多樣性必不可少。這確保了每個(gè)新細(xì)胞都有獨(dú)特的基因構(gòu)成，并解釋了為什么除同卵雙胞胎外，沒(méi)有兩個(gè)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?！爸亟M位點(diǎn)干擾”又叫“交換干涉”，是指減數(shù)分裂過(guò)程中，當(dāng)一個(gè)染色體上的一個(gè)DNA位置發(fā)生交換時(shí)，會(huì)抑制附近其他重組位點(diǎn)發(fā)生的概率。

研究人員利用數(shù)學(xué)建模和“3D-SIM”超分辨率顯微鏡，確定了一種確保DNA交換數(shù)量和位置“恰到好處”的機(jī)制，從而解開(kāi)了細(xì)胞減數(shù)分裂這一百年之謎：數(shù)量不會(huì)太多，也不會(huì)太少，位置也不會(huì)太近。

他們研究了擬南芥中一種名為HEI10的蛋白質(zhì)的行為，這種蛋白質(zhì)在減數(shù)分裂的交換形成中發(fā)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(shí)間的推移，HEI10蛋白只集中在少數(shù)大得多的聚類中，一旦達(dá)到臨界質(zhì)量，就可以觸發(fā)交換。

然后，研究人員將顯微鏡觀測(cè)數(shù)據(jù)與模擬這種聚類的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)二者是一致的。這種數(shù)學(xué)模型有助研究人員理解減數(shù)分裂染色體上的DNA交換模式。

研究人員表示，這項(xiàng)研究對(duì)于小麥等谷類作物尤其有價(jià)值，因?yàn)檫@些作物的雜交大多局限于染色體的特定區(qū)域，使植物育種專家無(wú)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(duì)進(jìn)化、生育和選擇性繁殖具有重要意義。通過(guò)了解驅(qū)動(dòng)交換定位的機(jī)制，我們更有可能發(fā)現(xiàn)改進(jìn)交換定位的方法，以改進(jìn)目前的動(dòng)植物育種技術(shù)。”

減數(shù)分裂是有性生殖生物在生殖細(xì)胞成熟過(guò)程中發(fā)生的特殊分裂方式。有性生殖的后代，其實(shí)只遺傳父母各一半的基因，但也正是因?yàn)檫@種方式能產(chǎn)生基因不一樣的后代，才能有所進(jìn)化。本文中所述的研究，是要知道在減數(shù)分裂的過(guò)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(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，一種蛋白質(zhì)扮演了重要角色，它就可以觸發(fā)交換。研究人員認(rèn)為，他們的發(fā)現(xiàn)可以改進(jìn)目前的動(dòng)植物育種技術(shù)，就是不知道這種方法和基因編輯相比，哪個(gè)更為有效和實(shí)用。