自私的基因最早由英國生物學(xué)家理查德·道金斯（Richard Dawkins）在其1976年出版的著作《自私的基因》中提出。該理論認為，基因是自然選擇和進化的基本單位，其通過影響個體的行為和生理特征來提高自身的生存和繁殖概率。最新的遺傳研究證明，這種自私的遺傳因子常造成雜交不親和，偏倚或“驅(qū)動”它們自身的傳遞。眾所周知，通過雜交引入遺傳變異可以提高后代對環(huán)境的適應(yīng)性，但不同基因組的組合經(jīng)常造成雜交不育或衰退，Bateson-Dobzhansky-Muller (BDM) 模型將這種癥狀歸因于不同種群中有害突變的相互作用，至少部分不兼容性源于由自私遺傳元素觸發(fā)的基因組內(nèi)沖突。這一過程是通過自私的遺傳因子對減數(shù)分裂的影響產(chǎn)生效應(yīng)的。染色體水平的驅(qū)動通常發(fā)生在不對稱的雌性減數(shù)分裂中，而基因驅(qū)動通常發(fā)生在減數(shù)分裂后，且主要出現(xiàn)在雄性配子中。由于這些自私的遺傳因子經(jīng)常影響育性和適應(yīng)性，因此在進化過程中具有較高的選擇壓，因此盡管驅(qū)動系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛預(yù)測存在，但大多數(shù)驅(qū)動系統(tǒng)仍處在未知狀態(tài)，缺少明確的實驗證明其機制及如何通過遺傳連鎖影響種群的基因分布。

近期，冷泉港實驗室 Robert A. Martienssen團隊發(fā)現(xiàn)一個來自于大芻草中名為“Teosinte Pollen Drive”（TPD）的基因，在玉米（Zea mays ssp. mays）和其野生近緣種墨西哥大芻草（Z. mays ssp. mexicana）雜交后代中依賴于RNA干擾（RNAi）的基因驅(qū)動實現(xiàn)自私基因傳遞的實例。該文章題為“Teosinte Pollen Drive guides maize diversification and domestication by RNAi”。研究通過對TPD系統(tǒng)單分子和單花粉基因組測序描述了玉米與大芻草雜交過程中的基因驅(qū)動，證明了來自大芻草的非編碼小RNA依賴于Dicer-like 2（Dcl2），并靶向玉米驅(qū)動響應(yīng)基因1（Tdr1），該基因編碼一種對花粉活力至關(guān)重要的脂肪酶。Dcl2、Tdr1和發(fā)夾在染色體5上緊密連鎖，但僅在雄性傳遞時才表現(xiàn)出作用。同時，揭示了TPD在玉米傳播和馴化過程中的作用。

首先，研究人員通過遺傳分析發(fā)現(xiàn)，存在兩個負責(zé)花粉活性的非連鎖位點，且僅通過花粉遺傳給后代(圖1)。與此同時，TPD中的減數(shù)分裂進程直到四分體階段都是正常的，之后花粉粒才停止發(fā)育。通過對兩個純合的TPD株系（BC8S3 and BC5S2）以及TPD單個活性花粉粒進行基因組測序發(fā)現(xiàn)，5在號和6號染色體上可以重復(fù)檢測到基因滲入?yún)^(qū)段 （圖1 h，i）。于是，將兩個位點命名為TPD1和TPD2。

圖1 回交系及單花粉測序揭示TPD自私的遺傳模式

進一步的遺傳分析以及混池測序顯示，TPD1是“毒害”花粉的罪魁禍首。TPD不同尋常的遺傳方式讓研究者想到之前描述的一種通過減數(shù)分裂后配子殺死作用的自私遺傳因子。這些基因通常編碼一種毒素，它反式調(diào)控的方式，破壞正常的生殖發(fā)育。只有含有細胞自主解毒劑的配子才在配子體中抑制毒性效應(yīng)。通過對TPD1;TPD2基因型的BC₈S₃幼苗基因組從頭組裝，結(jié)合單花粉測序數(shù)據(jù)在候選區(qū)段鑒定到了10個基因，DCL2基因在保守結(jié)構(gòu)域中存在多個錯義替換。DCL2編碼一個Dicer-like蛋白，負責(zé)22-nt siRNA的合成，并可以與RDR6和SGS3協(xié)同產(chǎn)生次級小RNA。

圖2 一個從大芻草中轉(zhuǎn)育來的毒素-解毒劑系統(tǒng)被定位在5號和6號染色體上

通過觀察DCL2及突變基因的表型發(fā)現(xiàn)，22-nt小RNA合成的突變（dcl2-mu1）可以阻止毒素的產(chǎn)生，而次級22-nt小RNA合成的突變體（dcl2^T和rgd1）以及可能在小RNA產(chǎn)生起作用的突變體（ago1a和ago1b），則起到了解毒劑的作用（圖3）。

圖3 來自于大芻草的Dcl2 是一個與毒性22-nt siRNA連鎖的解毒劑

為了進一步鑒定DCL依賴的小RNA的來源以及靶標，研究人員對野生型，dcl2^T和dcl2-mu1材料進行了小RNA測序，發(fā)現(xiàn)siRNA顯著富集在一個編碼GDSL 脂肪酶的基因Zm00004b012122（圖4）。免疫印記結(jié)果顯示，GDSL脂肪酶蛋白在野生型的5mm花藥和成熟花粉中顯著積累，但在葉片以及TPD花藥和花粉中缺失，這一結(jié)果支持了22-nt siRNAs介導(dǎo)翻譯抑制的結(jié)論（圖5，該蛋白的抗體以及羊抗兔二抗PHY6000由PhytoAB Inc.提供）。GO分析以及基因表達模式分析均顯示，GDSL 脂肪酶基因可能是對Tpd1驅(qū)動敗育的“響應(yīng)者”。基于所有這些觀察，研究者將Zm00004b012122定義為Tpd1毒素活性的主要靶標候選基因，命名為Teosinte drive responder 1 (TDR1)。在此基礎(chǔ)上，研究人員利用改進的TPD花粉降解組測序技術(shù)，確定了TDR1可能觸發(fā)沉默的位點，并在TPD1單倍型中找到了能產(chǎn)生觸發(fā)沉默的siRNA的非編碼RNA。

圖4 來自于大芻草的 22nt siRNAs 靶向一個必需的花藥基因Tdr1

圖5 Western檢測GDSL蛋白的積累（抗體由PhytoAB公司提供）

基于上述結(jié)果，研究人員提出了一個Teosinte Pollen Drive的機制模型（圖6）：Tpd1編碼一個在減數(shù)分裂前表達的大芻草特異的發(fā)夾結(jié)構(gòu)，它可以產(chǎn)生大量的22nt hp-siRNAs。這些hp-siRNAs在在四分體晚期階段，通過RDR6和SGS3/RGD1觸發(fā)次級siRNAs的擴增，進而針對Tdr1進行翻譯抑制（紅色核糖體）。在存活的小孢子（深黃色背景）中，Tpd2和dcl2^T抑制次級siRNAs的加工，恢復(fù)蛋白翻譯和育性（綠色核糖體）。只有基因型為dcl2^T Tpd1; Tpd2的花粉粒是可育的，所有其他競爭的配子都被降解掉。其他RNAi相關(guān)基因（Sgs3/Rgd1, Ago1, Ago2, Ago5）可以通過影響siRNAs的水平來作為有部分功能的抑制因子（圖6）。

圖6 TPD機理模型

最后，進化研究顯示，大芻草的基因滲入被認為對玉米在美洲的擴散至關(guān)重要（圖7）。對傳統(tǒng)玉米品種和同域的大芻草的調(diào)查顯示，在至少四條染色體上，未連鎖的RNAi所需基因表現(xiàn)出相關(guān)的混合模式，這些基因也在合成雜交體的花粉中受到基因驅(qū)動。Teosinte Pollen Drive可能在玉米的馴化和多樣化中發(fā)揮了重要作用，并為植物和動物精細胞“自私”小RNA的廣泛存在提供了解釋。

圖7 Teosinte Pollen Drive的進化模型：在祖先類蜀黍種群中出現(xiàn)解毒劑之后，Tpd1毒素出現(xiàn)并與解毒劑基因連鎖時獲得了傳播優(yōu)勢。在現(xiàn)存的大芻草和玉米種群中，一些解毒劑被固定下來，而其他一些則具有更廣泛的多態(tài)性或已經(jīng)丟失。

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