影响果蝇性别比的自私基因具有独特的自限性机制

当一个物种繁殖时，通常每个父母都会将给定基因的两个版本（等位基因）中的一个传递给后代。但并非所有等位基因都能公平地遗传给后代。

某些被称为减数分裂驱动因子的等位基因是“自私的”——它们欺骗遗传规则以增加传播的机会，通常以牺牲生物体的健康为代价。

怀特海研究所成员山下幸子的实验室研究了遗传信息是如何通过生殖系（产生卵子和精子的细胞）跨代传递的。现在，山下和第一作者、山下实验室的研究生孟雪峰发现了一种与以前已知的驱动器不同的减数分裂驱动器。

研究人员发表在《科学进展》上的研究结果表明，果蝇物种黑腹果蝇X染色体上的星状（Ste）基因——有多个彼此靠近的拷贝——是一种减数分裂驱动因子，会影响X染色体的传播。然而，它也有一种独特的“自我限制”机制，有助于保持生物体产生雄性后代的能力。“这种机制是对基因自私驱动的固有补救措施，”山下说，他也是麻省理工学院的生物学教授和霍华德休斯医学研究所的研究员。“如果没有它，该基因可能会严重扭曲种群的性别比例，并导致物种灭绝——这是一个长期以来公认的悖论。”

减数分裂是有性生殖的关键过程。这是来自种系的细胞经历两轮专门的细胞分裂——减数分裂I和减数分裂II——形成配子（卵细胞和精子细胞）的时候。在雄性中，这通常会导致携带X和Y的精子数量相等，这确保了拥有雄性或雌性后代的机会均等。

位于性染色体上的减数分裂驱动因子可以通过选择性地破坏不携带驱动因子等位基因的配子来扭曲这种性别比例。其中之一是减数分裂驱动器Ste。

在果蝇的雄性种系细胞中，Ste由位于Y染色体上的星状抑制因子（Su（Ste））产生的称为piRNAs的小RNA分子控制。这些RNA分子招募特殊的蛋白质来沉默Ste RNA。这可以防止Ste蛋白的产生，否则会破坏含Y精子的发育，这有助于维持生物体产生雄性后代的能力。“但抑制机制并非万无一失，”孟解释道。“当减数分裂驱动因子及其抑制因子位于不同的染色体上时，它们可以在繁殖过程中分离，使驱动因子在下一代中不受控制。”

向女性倾斜的性别比例提供了一个短期优势：女性多于男性可以提高人口的生殖潜力。但从长远来看，减数分裂的驱动因素有可能取得致命的成功——通过雄性的枯竭使物种走向灭绝。

有趣的是，之前的研究表明，即使没有抑制因子，不沉默Ste也只会适度地扭曲种群的性别比例，这与其他几乎只在后代中产生雌性的减数分裂驱动因子不同。是否有另一种机制在起作用，控制着Ste的自私冲动？

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为了探索这种有趣的可能性，山下实验室的研究人员首先研究了精子发育的过程。在适度的Ste表达下，减数分裂前生殖细胞发育和减数分裂正常进行，但精子发育缺陷很快开始出现。具体来说，精子细胞的一个子集——减数分裂后产生的未成熟精子细胞——未能结合称为精蛋白的必需DNA包装蛋白，精蛋白是保持精子遗传信息完整性所必需的。

为了确认受影响的精子细胞是否主要是携带Y染色体的精子细胞，研究人员使用了一种称为免疫荧光染色的成像技术，该技术使用抗体将荧光分子附着到感兴趣的蛋白质上，使其发光。他们将此与一种名为FISH（荧光原位杂交）的技术相结合，该技术用荧光标记标记X和Y染色体，使研究人员能够区分减数分裂后将携带X或Y的细胞。

事实上，研究小组发现，虽然Ste蛋白在减数分裂I之前存在于所有精母细胞中，但在减数分裂II期间，它在两个子细胞之间不均匀地分裂，这种现象称为不对称分离，并集中在含Y的精子细胞中，最终导致这些精子细胞中的DNA包装缺陷。

这些发现阐明了Ste作为减数分裂驱动因子的作用，但研究人员仍然想知道为什么Ste的表达只会导致适度的性别比例扭曲。当他们观察到Ste在减数分裂II期间经历另一轮不对称分离时，答案很快变得清晰起来。这意味着，即使次级精母细胞在减数分裂I后继承了Ste蛋白，在这一轮细胞分裂中产生的精子细胞中，只有一半最终保留了该蛋白。因此，只有一半的含Y精子细胞会被杀死。“这种自限机制是驱动器-抑制器分离问题的最终解决方案，”Yamashita说。“但这个想法是如此非传统，如果它只是一个理论，没有我们现在的证据，它就会被完全否定。”

这些发现解决了一些问题，也提出了其他问题：与已知不对称的雌性减数分裂不同，雄性减数分裂传统上被认为是对称的。Ste的不平等分离是否表明雄性减数分裂中存在未知的不对称性？像Ste这样的减数分裂驱动因素是触发了这种不对称性，还是它们只是利用它来限制自己的自私驱动？

回答这些问题是山下和她的同事们的下一个重要步骤。

“这可能会从根本上改变我们对雄性减数分裂的理解，”她说。“科学中最好的时刻是教科书知识受到挑战，结果却被证明是狭隘的视野。”