酵母的自私基因如何成功

Stowers医学研究所的新发现揭示了关于危险的自私基因(被认为是DNA的寄生部分)如何发挥作用和生存的重要见解。了解这种动态是研究减数分裂驱动系统的更广泛社区的宝贵资源。

2022年12月7日发表在PLoSGenetics上的一项新研究揭示了酵母中的自私基因如何使用毒物解毒剂策略来实现其功能并可能促进其长期进化成功。这一策略对于研究类似系统的科学家来说是一个重要的补充，包括正在设计用于病原害虫控制的合成驱动系统的团队。在了解这种驱动力方面的集体和协作进步可能有一天会导致在媒介传播疾病的情况下危害作物甚至人类的害虫种群的根除。

“基因组编码具有杀死生物体能力的蛋白质是非常危险的，”Stowers副研究员SarahZanders博士说。“然而，了解这些自私因素的生物学特性可以帮助我们构建合成驱动程序来改变自然种群。”

驱动程序是自私的基因，可以比大多数其他基因更高的速度在种群中传播，而不会使有机体受益。Zanders实验室之前的研究表明，酵母中的驱动基因wtf4会产生能够摧毁所有后代的毒蛋白。然而，对于给定亲本细胞的染色体对，只有在一条染色体上发现wtf4时才能实现驱动。其效果是同时拯救那些继承了驱动等位基因的后代，方法是提供一剂非常相似的蛋白质来抵消毒素，即解毒剂。

在这项工作的基础上，由Zanders实验室前博士前研究员NicoleNuckolls博士和现任博士前研究员AnanyaNidamangalaSrinivasa领导的这项研究发现，wtf4产生毒物和解毒蛋白的时间差异及其独特发育中的孢子内的分布模式是驱动过程的基础。

该团队开发了一个模型，他们正在继续研究毒药如何杀死孢子——相当于酵母中的人类卵子或精子。他们的结果表明，有毒蛋白质聚集在一起，可能会破坏细胞发挥功能所需的其他蛋白质的正确折叠。因为wtf4基因既编码毒药又编码解毒剂，解毒剂在形式上非常相似，与毒药归为一类。然而，解毒剂有一个额外的部分，它似乎通过将毒物-解毒剂簇带到细胞的垃圾桶——液泡中来隔离它们。

为了了解自私基因在繁殖过程中如何发挥作用，研究人员观察了孢子形成的开始，发现在所有发育中的孢子及其周围的囊中都表达了毒蛋白，而在整个囊中只发现了低浓度的解毒蛋白。在后期的开发中，解毒剂在从母酵母细胞中继承了wtf4的孢子中富集。

研究人员发现，继承了驱动基因的孢子会在孢子内部制造额外的解毒蛋白，以中和毒素并确保其存活。

该团队还发现，控制许多其他参与孢子形成的基因的特定分子开关也控制wtf4基因的毒物而非解毒剂的表达。该开关对于酵母繁殖至关重要，并且与wtf4有着千丝万缕的联系，有助于解释为什么这种自私的基因能够如此成功地逃避宿主试图禁用开关的任何尝试。

NidamangalaSrinivasa说：“我们认为这些东西已经存在了这么长时间的原因之一是——他们使用了这种偷偷摸摸的策略，即利用打开酵母繁殖的相同基本开关。”

“如果我们能够操纵这些DNA寄生虫在蚊子中表达并驱动它们的破坏，这可能是控制害虫物种的一种方式，”Nuckolls说。

其他作者包括AnthonyMok、MaríaAngélicaBravoNúñez博士、JefferyLange博士、ToddJ.Gallagher和ChrisW.Seidel博士。