解码用于男性性别决定的共享基因工具包

Tübingen马克斯·普朗克生物研究所的研究人员开辟了新的天地，证明褐藻中的HMG-box基因对决定雄性至关重要。这一突破大大扩展了我们对真核生物性别决定机制的理解。到目前为止，只在少数脊椎动物和植物中发现了主要的性别决定基因

这项研究发表在《科学》杂志上，阐明了动物和海藻之间发育途径的进化相似之处，尽管它们有数百万年的独立进化史。它强调了跨谱系共享基因工具包的使用，并探索了遥远的进化趋同

褐藻中神秘的U/V性染色体系统

虽然大多数有性繁殖生物通常明显是雄性或雌性，但不同物种的性别决定背后的遗传调控差异很大。这种多样性延伸到褐藻看似简单的外表，它们具有有趣的性别决定机制

褐藻是海洋多细胞光合真核生物。这些生物独立于动植物进化出了几个关键的生物学特征，如多细胞性、复杂的生命周期和性染色体。鉴于这些独特的特征，褐藻是研究繁殖进化方面的优秀模式生物

真核生物涵盖了一系列生物，从单细胞到复杂的多细胞形式，它们表现出不同的性染色体

哺乳动物有XX/XY系统，其中雄性有X和Y染色体。类似地，在鸟类、鱼类和一些昆虫中观察到的ZZ/ZW系统中，雄性通常同时具有ZZ染色体。XX/XY和ZZ/ZW系统的出现是因为动物在胚胎发育过程中拥有两个基因组拷贝，每个亲本一个拷贝

这些系统包含触发雄性或雌性分化的特定因素，已知的主要性别决定因素分别在Y和W染色体上确定。相比之下，U/V系统的研究较少，在藻类、苔藓和地衣中只发现了一种性别决定因素。然而，真菌并不依赖于特殊的性染色体。它们利用交配型基因来决定自己的性别以及可以与谁一起繁殖

褐藻的一个显著特征是采用U/V性染色体系统。褐藻在单倍体阶段（即只有一个基因组拷贝）决定其性别，而不像携带两套完整染色体的二倍体动物。褐藻只携带雄性的V染色体或雌性的U染色体，决定它们的性别

十多年前，在苏珊娜·科埃略博士的领导下，研究人员在褐藻的雄性V染色体上发现了一个性别特异性区域，该区域包含一个编码HMG盒蛋白的基因，他们后来将其命名为MIN（雄性诱导因子）

HMG盒是一种DNA结合结构域，普遍存在于真核生物的染色质相关蛋白和转录因子中，包括人类中发现的性别决定因子SRY和真菌中的交配类型决定因子。当时，现有的工具和方法无法证明MIN是否会触发这些生物体的雄性发育途径

来源：马克斯·普朗克学会

CRISPR/Cas基因操作的见解

“在它们的自然栖息地，褐藻配子进行着迷人的交配舞蹈，”Ré博士解释道；我的Luthringer是藻类培养专家，也是马克斯·普朗克生物研究所藻类培养设施的负责人；宾根

“雌性配子快速固定在基质上，并在海水中释放一种信息素，如化学信号，以吸引雄性。雄性配子通过两个鞭毛在雌性周围逐渐靠近的圆圈中主动游动，被它们的‘香水’吸引。”

随着CRISPR/Cas技术（通常被称为“基因剪刀”）的出现，研究人员可以精确地定位和编辑这些褐藻的遗传物质。他们使用该工具通过产生功能缺失的突变体来测试MIN的生物功能。结果很清楚：“CRISPR突变株系中没有复杂的雄性配子交配舞蹈。这意味着在没有MIN的情况下，配子对雌性信息素变得完全不敏感。”藻类发育和进化部主任Coelho博士指出，“当我们敲除褐藻中的性别决定基因MIN时，我们没有观察到性别逆转。相反，雄性变得无性。这是因为它们缺少互补染色体，即雌性U染色体。这表明U染色体上的雌性诱导因子尚待发现。”通过这些遗传实验，研究人员揭示了控制雄性性别决定的复杂机制。在褐藻中

Coelho博士评论道，“将HMG结构域基因识别为褐藻主性因子表明，动物和海藻已经独立地达成了确定雄性的相同解决方案。”

由于共享的遗传工具包，性别决定的进化

深入进化时间线，藻类和动物之间共享的最后一个共同祖先是单细胞的，缺乏这两组生物不同的性染色体。蛋白质生物信息学项目负责人Vikram Alva博士澄清道，“HMG-box结构域的起源可以追溯到最后一个真核生物共同祖先，而MIN在褐藻的共同祖先中进化较晚。”。阿尔瓦博士强调，“Whil