更加全面地認(rèn)識(shí)非隨機(jī)分離將會(huì)闡明物種形成是如何發(fā)生的。

葡萄牙的馬德拉島上生活著6種不同染色體小種的小鼠，每一種小鼠和其他地區(qū)的小鼠相比，二倍體染色體的數(shù)目大幅減少。這種引人注目的多樣性最早在20世紀(jì)與21世紀(jì)之交時(shí)得到確認(rèn)，可以用個(gè)別染色體的反復(fù)融合來解釋。每個(gè)小種有一組不同的染色體融合，由于染色體配對(duì)的問題，兩個(gè)小種之間的混種很可能會(huì)降低可育性，或者根本就不育。種群中的生殖隔離是通往物種形成之路上的關(guān)鍵一步——在小鼠的例子中，這些染色體改變?nèi)及l(fā)生在小鼠的祖先抵達(dá)馬德拉島（可能是搭乘維京人的船只）后的1 000年之內(nèi)。

導(dǎo)致這些快速核型變化的所謂羅氏融合是相對(duì)常見的染色體重排。但它們?cè)隈R德拉島小鼠種群和其他地區(qū)多個(gè)孤立小鼠種群中的積聚很可能是源于另一個(gè)影響因素：羅氏融合為卵細(xì)胞，而不是雌性減數(shù)分裂中形成的、被拋棄的極體的偏向分離。

我們一般認(rèn)為，染色體的分離機(jī)制是要確保不偏不倚的隨機(jī)分離。正如我們?cè)诟咧猩镎n上學(xué)到的，假如一個(gè)二倍體攜帶兩個(gè)不同的等位基因（也就是雜合子），那么每個(gè)等位基因最終進(jìn)入單倍體配子的可能性相等。這條定律解釋了孟德爾在經(jīng)典遺傳研究中觀察到的表現(xiàn)型的3：1比例。然而，科學(xué)家在幾十年前就已經(jīng)知道，自私基因能夠破壞孟德爾式分離，提高它們?cè)谙乱淮谐霈F(xiàn)的頻率，這個(gè)現(xiàn)象被稱為減數(shù)分裂驅(qū)動(dòng)。馬德拉鼠的例子提出，融合的染色體也能驅(qū)動(dòng)不相等的遺傳。

因?yàn)榱_氏融合從形態(tài)上很容易識(shí)別，也因?yàn)樾∈舐涯讣?xì)胞是一個(gè)已確立的模型系統(tǒng)，所以從2010年開始，在我位于賓夕法尼亞大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里，研究小鼠的這些染色體融合為研究減數(shù)分裂驅(qū)動(dòng)的細(xì)胞生物學(xué)提供了一個(gè)切入點(diǎn)。我們的研究聚焦于著絲?！簿褪敲總€(gè)染色體中與紡錘體微管相互作用，在有絲分裂或減數(shù)分裂中指導(dǎo)分離的部分——發(fā)現(xiàn)著絲粒結(jié)構(gòu)的尺寸決定偏向分離的方向，較大的著絲粒偏向分離成卵細(xì)胞。著絲粒DNA一般是高度重復(fù)性的，我們發(fā)現(xiàn)，較大的著絲粒具有較多的小鼠著絲粒隨體重復(fù)特征，有更多的著絲粒蛋白質(zhì)與DNA有關(guān)。因而，看起來最新形成的羅氏融合可能導(dǎo)致更大的著絲粒，而它會(huì)驅(qū)動(dòng)并在自然種群中變得固定。

羅氏融合的減數(shù)分裂驅(qū)動(dòng)闡明了50多年前動(dòng)物學(xué)家懷特在一篇論文中提出的想法：“也許，極少數(shù)通過生成強(qiáng)有力隔離機(jī)制的能力，在物種形成中起到關(guān)鍵作用的染色體重排，正是那些碰巧在雌性減數(shù)分裂中擁有分離優(yōu)勢(shì)的染色體重排?！绷_氏融合這個(gè)例子說明這樣的染色體重排能通過著絲粒擴(kuò)張產(chǎn)生分離優(yōu)勢(shì)（也就是驅(qū)動(dòng)）。馬德拉島和其他地方的染色體競(jìng)賽顯示，驅(qū)動(dòng)能夠如何引向快速核型變化，以及積聚不同組別的融合的種群之間的生殖屏障。

非隨機(jī)分離的早期跡象

遺傳學(xué)家馬庫斯 · 羅茲（Marcus Rhoades）在1942年，根據(jù)對(duì)于異常的玉米第10號(hào)染色體（Ab10）的觀察，引入減數(shù)分裂驅(qū)動(dòng)的概念。Ab10擁有一個(gè)多余的DNA片段——稱作染色體結(jié)——上面包含一段重復(fù)的DNA序列。羅茲表明，Ab10在雌性減數(shù)分裂中偏向分離為卵細(xì)胞。他也提出一個(gè)模型來解釋這一現(xiàn)象，涉及在后期朝向減數(shù)分裂紡錘極，變動(dòng)Ab10的位置。減數(shù)分裂的4個(gè)產(chǎn)物被布置成一個(gè)直線型四分體，僅有較下方的細(xì)胞發(fā)育為卵細(xì)胞，于是這種極性定位提高Ab10最終進(jìn)入卵細(xì)胞的可能性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這個(gè)模型在概念上是正確的，科研人員近期就發(fā)現(xiàn)了一個(gè)負(fù)責(zé)定位Ab10的分子馬達(dá)。

玉米的染色體結(jié)對(duì)于染色體功能并非必需，甚至不帶來好處，除了在自私的層面上提高它們自身通過雌性減數(shù)分裂的傳遞。相比之下，著絲粒在細(xì)胞分裂時(shí)被普遍用于忠實(shí)的染色體分離。正如細(xì)胞生物學(xué)家先驅(qū)丹 · 梅齊亞（Dan Mazia）在1961年表述的：“攜帶大多數(shù)遺傳物質(zhì)的染色體臂在有絲分裂中的角色或許可與一具遺體在葬禮上的角色相比較——它們提供進(jìn)行進(jìn)程的理由，但不會(huì)積極地參與進(jìn)程?！备_切地說，行動(dòng)發(fā)生在著絲粒，著絲粒調(diào)解染色體與紡錘體微管之間的相互作用。

由于著絲粒聯(lián)結(jié)紡錘體的核心功能在真核生物中是高度保守的，所以我們預(yù)期著絲粒的成分也是保守的。然而與這種預(yù)期恰恰相反，多個(gè)真核生物譜系中的許多著絲粒蛋白質(zhì)迅速演化，氨基酸改變的式樣暗示了正向選擇。著絲粒的重復(fù)性DNA不編碼任何蛋白質(zhì)，甚至在親緣關(guān)系很近的物種中，也是高度易變的。盡管著絲粒有著高度保守的功能，著絲粒蛋白質(zhì)和DNA成分卻都快速演化，這種情況顯得很矛盾。

為了解釋這種矛盾，研究者在2001年提出著絲?？赡茉跍p數(shù)分裂驅(qū)動(dòng)中扮演某種角色。根據(jù)著絲粒驅(qū)動(dòng)假說，著絲粒DNA序列（譬如玉米染色體球）能充當(dāng)自私的遺傳元素，通過劫持染色體分離機(jī)制，提升它們傳遞給下一代的概率。這種著絲粒驅(qū)動(dòng)可能帶來適應(yīng)性代價(jià)，譬如產(chǎn)生非整倍體配子的分離錯(cuò)誤的概率大增。這些代價(jià)對(duì)于著絲粒蛋白質(zhì)的適應(yīng)進(jìn)化帶來選擇壓力，從而抑制適應(yīng)性代價(jià)。

但是，著絲粒的重復(fù)性、非編碼DNA一直在變化，將基因組的其余部分（著絲粒蛋白質(zhì)被編碼于此）置于反復(fù)的適應(yīng)壓力之下。這種持續(xù)不斷的遺傳沖突類似免疫因子在來自不斷變化的病原體的壓力下演化，不過是必要的染色體位點(diǎn)充當(dāng)了病原體的角色。結(jié)果就是，著絲粒DNA和蛋白質(zhì)甚至在親緣關(guān)系很近的物種中也是高度易變的。因?yàn)檫@個(gè)原因，驅(qū)動(dòng)理論提出，一個(gè)種群中適應(yīng)了著絲粒的蛋白質(zhì)在面對(duì)另一個(gè)種群多種多樣的著絲粒時(shí)，也許就無法實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)作，導(dǎo)致雜交不親和、生殖隔離和物種形成，類似核型差異引起的隔離。

支持著絲粒驅(qū)動(dòng)理論的最早證據(jù)來自2008年發(fā)表的對(duì)于黃色溝酸漿的觀察結(jié)果。在這些植物中，膨大的著絲粒（有著更多份重復(fù)的著絲粒DNA）顯示出強(qiáng)烈的傳遞偏向。當(dāng)植物對(duì)于這種膨大的著絲粒是雜合的，它可能有98%的概率最終出現(xiàn)在后代之中。然而，膨大著絲粒是純合的植物顯示出以種子和花粉產(chǎn)量減少的形式出現(xiàn)的生殖適應(yīng)性代價(jià)，然而背后的底層機(jī)制尚不清楚。隨后的發(fā)現(xiàn)顯示，不同遺傳背景下，傳遞偏向的程度不一。研究明確指出一個(gè)H3組蛋白的變異體是潛在的驅(qū)動(dòng)抑制因子。這個(gè)被稱為CENP-A或CenH3的蛋白質(zhì)變異體在封裝著絲粒DNA上起到關(guān)鍵作用，充當(dāng)動(dòng)粒的基礎(chǔ)，動(dòng)粒是一個(gè)聯(lián)結(jié)紡錘體微管的多蛋白復(fù)合體。

這些觀察結(jié)果與著絲粒驅(qū)動(dòng)假說相一致，向細(xì)胞生物學(xué)家提出令人著迷的機(jī)制問題：自私的著絲粒是如何讓分離偏向的？著絲粒蛋白質(zhì)的適應(yīng)可能如何防止驅(qū)動(dòng)，或者如何抑制非隨機(jī)分離的代價(jià)？所有這些對(duì)于種群和物種的進(jìn)化意味著什么？

偏向分離的機(jī)制

著絲粒驅(qū)動(dòng)依賴性減數(shù)分裂中的多種不對(duì)稱。首先是細(xì)胞命運(yùn)的不對(duì)稱，導(dǎo)致一個(gè)功能配子的誕生，其他單倍體細(xì)胞則退化，因此進(jìn)入演化的死胡同。其次，接近細(xì)胞皮層的紡錘體位置的不對(duì)稱——細(xì)胞皮層是一層薄薄的肌動(dòng)蛋白和其他蛋白質(zhì)，位于原生質(zhì)膜或者說細(xì)胞膜之下——導(dǎo)致大個(gè)卵細(xì)胞和小個(gè)極體的產(chǎn)生。一半的染色體附著在紡錘體靠近細(xì)胞皮層的那一側(cè)，因此注定會(huì)到極體上。第三是同源染色體著絲粒之間的功能不對(duì)稱，自私的著絲粒更可能留在卵細(xì)胞內(nèi)。著絲粒驅(qū)動(dòng)依賴這些不對(duì)稱的結(jié)合。紡錘體提供空間線索，指出哪一側(cè)的染色體會(huì)進(jìn)入卵細(xì)胞，哪一側(cè)的染色體會(huì)進(jìn)入極體，而自私的著絲粒與紡錘體相互作用，結(jié)果是它們優(yōu)先定向，遠(yuǎn)離極體，朝卵細(xì)胞而去。

過去8年里，我和同事們使用小鼠來弄清這些動(dòng)態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)紡錘體的不對(duì)稱確實(shí)是與細(xì)胞命運(yùn)的不對(duì)稱相結(jié)合的。此前的研究已經(jīng)表明，一種叫作Ran的GTP酶通過GTP結(jié)合的激活是由染色體引起的，并會(huì)生成一個(gè)可擴(kuò)散的信號(hào)，細(xì)胞皮層偵測(cè)到信號(hào)，結(jié)果使得細(xì)胞極化。另一個(gè)GTP酶Cdc42在紡錘體附近極化皮層上富集。2017年，我們表明紡錘體定位、極化觸發(fā)的Ran信號(hào)、來自細(xì)胞皮層傳回給紡錘體的Cdc42信號(hào)三個(gè)因素一起導(dǎo)致紡錘體內(nèi)的不對(duì)稱。這種紡錘體的不對(duì)稱是基于微管蛋白翻譯后修飾的差異，微管蛋白是構(gòu)成微管的蛋白質(zhì)。紡錘體靠近細(xì)胞皮層的那一側(cè)有酪氨酸化α-微管蛋白富集，這種α-微管蛋白含有C端酪氨酸；紡錘體靠近卵細(xì)胞的那一側(cè)是去酪氨酸化α-微管蛋白富集，這種α-微管蛋白的酪氨酸已經(jīng)被一種肽酶除去。我們?cè)谝环N雜交小鼠模型（將一個(gè)擁有較大著絲粒的品系與一個(gè)擁有較小著絲粒的品系雜交）中檢驗(yàn)這種不對(duì)稱的意義。雜交小鼠的雌性減數(shù)分裂中，同源染色體相互配對(duì)，較大和較小的著絲粒相互競(jìng)爭(zhēng)，想要傳遞至卵細(xì)胞。我們的研究顯示，較大的自私著絲粒利用紡錘體不對(duì)稱來優(yōu)先朝向紡錘體的去酪氨酸化的一側(cè)，從而能注定進(jìn)入卵細(xì)胞。

優(yōu)先定向依賴第三種不對(duì)稱：同源染色體著絲粒之間的功能差異。自私的著絲粒利用了已被充分研究的、在每次細(xì)胞分裂中防范分離差錯(cuò)的機(jī)制。譬如說，在有絲分裂時(shí)，姐妹染色體的著絲粒能附著相同的紡錘極，這個(gè)差錯(cuò)會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)姐妹染色體分離為一個(gè)子細(xì)胞。為了在分離發(fā)生前糾正錯(cuò)誤，著絲粒的微管去穩(wěn)定蛋白質(zhì)調(diào)解促成紡錘體微管的分離，提供一個(gè)機(jī)會(huì)，讓一個(gè)著絲粒能附著對(duì)面的紡錘極。2019年，我們的研究顯示，雜交小鼠模型中的自私著絲粒招募了相比于同源染色體來說更多的去穩(wěn)定蛋白質(zhì)。從自私著絲粒的角度來看，附著在紡錘體靠近細(xì)胞皮層的那一側(cè)是有害的，因?yàn)樗ㄏ虻氖菢O體。去穩(wěn)定蛋白質(zhì)優(yōu)先讓自私著絲粒脫離酪氨酸化的微管，重新定向，朝向紡錘體靠近卵細(xì)胞的那一側(cè)，解決了這個(gè)問題。

抵御著絲粒驅(qū)動(dòng)

我們依然不太清楚著絲粒驅(qū)動(dòng)給有機(jī)體帶來的適應(yīng)性代價(jià)，但我們預(yù)計(jì)這些代價(jià)依賴同源染色體的成對(duì)著絲粒之間的功能差異：譬如，這些著絲粒與紡錘體微管的差異化相互作用可能導(dǎo)致分離差錯(cuò)。降低這些差別會(huì)減少有機(jī)體蒙受的適應(yīng)性代價(jià)。

不同著絲粒的功能均等化可以兩種方式發(fā)生：要么是削弱自私著絲粒招募去穩(wěn)定蛋白質(zhì)時(shí)利用的路徑，要么是加強(qiáng)另一條在所有著絲粒中都均等的招募路徑。此前的研究已經(jīng)表明，去穩(wěn)定蛋白質(zhì)既能通過動(dòng)粒，也能通過毗連著絲粒的異染色質(zhì)來招募。我們的研究表明，自私著絲粒通過強(qiáng)化動(dòng)粒路徑來招募去穩(wěn)定蛋白質(zhì)，從而增加功能差異。相比而言，異染色質(zhì)在我們模型系統(tǒng)的同源染色體的著絲粒中是對(duì)稱的，暗示這條路徑讓著絲粒們更加相似。這些觀察結(jié)果表明，讓異染色質(zhì)路徑相對(duì)于動(dòng)粒路徑占優(yōu)勢(shì)的話，就會(huì)抑制著絲粒驅(qū)動(dòng)。

為了在雜交小鼠模型系統(tǒng)中以實(shí)驗(yàn)方式檢驗(yàn)這個(gè)想法，我們引進(jìn)一個(gè)快速演化的著絲粒蛋白質(zhì)多樣變異體（CENP-C）。我們預(yù)計(jì)，多樣變異體（取自大鼠）不會(huì)和參與動(dòng)粒形成的小鼠蛋白質(zhì)以最佳方式相互作用，從而削弱動(dòng)粒路徑。作為對(duì)于功能不對(duì)稱的一個(gè)讀數(shù)，我們測(cè)量成對(duì)同源染色體在減數(shù)分裂紡錘體上的位置。著絲粒功能相似時(shí)，染色體處在紡錘體赤道上，就像典型的減數(shù)分裂中期布局。著絲粒功能不同時(shí)，染色體不在紡錘體的中心。我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)動(dòng)粒路徑被削弱時(shí)，染色體的位置更靠近紡錘體赤道，這與我們的預(yù)測(cè)一致，說明著絲粒在功能上變得更加相似。反過來，當(dāng)我們通過敲除著絲粒蛋白質(zhì)CENP-B（它對(duì)著絲粒附近異染色質(zhì)的形成有貢獻(xiàn)），借此削弱異染色質(zhì)路徑后，我們發(fā)現(xiàn)中體在功能上變得更加不同（也就是染色體的位置更加遠(yuǎn)離紡錘體的中心）。

因此，看來存在相互競(jìng)爭(zhēng)的兩種平行路徑：自私著絲粒利用的著絲點(diǎn)路徑，促進(jìn)平等分離的異染色質(zhì)路徑。這意味著，通過削弱著絲點(diǎn)路徑或者加強(qiáng)異染色質(zhì)路徑，這兩條路徑中的蛋白質(zhì)都能演化抑制著絲粒驅(qū)動(dòng)。我們通過比較研究中的鼠類基因組，在兩條路徑的成分中，都發(fā)現(xiàn)適應(yīng)進(jìn)化的特征，這與上述預(yù)測(cè)相一致，暗示多個(gè)著絲粒蛋白質(zhì)的變化能抑制驅(qū)動(dòng)的代價(jià)。

我們和其他研究團(tuán)隊(duì)的分析只是剛開始探索自私著絲粒DNA和快速演化的著絲粒蛋白質(zhì)之間的遺傳沖突。我們有用于實(shí)驗(yàn)的小鼠模型系統(tǒng)，有驅(qū)動(dòng)和抑制的概念框架，我們知道著絲粒蛋白質(zhì)中的哪些氨基酸變化有正向選擇的特征。我們現(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)是如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，分析這些變化對(duì)功能造成的結(jié)果（可能很細(xì)微）。與此同時(shí)，其他研究者在繼續(xù)使用溝酸漿作為研究這種遺傳沖突的模型系統(tǒng)，利用前文提到過的這種植物的天然變異和強(qiáng)大的種群遺傳學(xué)。而且這些不是能夠驅(qū)動(dòng)的唯一的染色體位點(diǎn)：玉米染色體結(jié)之類的位點(diǎn)為探索雌性減數(shù)分裂中獨(dú)立于著絲粒的欺騙機(jī)制、抑制相關(guān)適應(yīng)性代價(jià)的適應(yīng)提供機(jī)會(huì)。

微生物病原體已經(jīng)演化得能利用基本的細(xì)胞過程，譬如細(xì)胞骨架動(dòng)力學(xué)、膜運(yùn)輸、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和細(xì)胞周期，對(duì)于多種多樣的病原體的研究已經(jīng)推動(dòng)細(xì)胞生物學(xué)的許多進(jìn)步。相似地，研究著絲?；蚱渌运轿稽c(diǎn)，將其視作遺傳沖突情境下的“病原體”，這能提供一個(gè)窺視染色體分離和遺傳生物學(xué)的獨(dú)特窗口。

資料來源 The Scientist

本文作者邁克爾 · 蘭普森（Michael Lampson）是賓夕法尼亞大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)家。他的研究團(tuán)隊(duì)聚焦細(xì)胞分裂，生殖細(xì)胞系中的著絲粒功能和減數(shù)分裂驅(qū)動(dòng)的細(xì)胞生物學(xué)。