科學(xué)家發(fā)現(xiàn)打破“一個細(xì)胞核，一個基因組”規(guī)則的真菌

基因組包含構(gòu)建和維持生物體所需的完整信息庫——生命的具象藍(lán)圖。

在真核生物中，基因組存儲在細(xì)胞核中，在那里它們被組織成染色體。真核生物是一種生物體，其細(xì)胞具有被膜包圍的細(xì)胞核：植物、動物、真菌和許多微生物都是真核生物。

例如，人類基因組由 23 條染色體組成，每條染色體都包含完整遺傳密碼的一部分。

相關(guān)：你的腳趾之間住著什么？一位微生物學(xué)家解釋道。

直到最近，人們一直認(rèn)為每個細(xì)胞核至少包含一組完整的染色體，因此“一個細(xì)胞核，一個完整的基因組”規(guī)則。

然而，我們的研究表明，在兩種真菌中，它們的基因組可以分裂成多個細(xì)胞核，每個細(xì)胞核只接收總?cè)旧w的一部分。

一個令人驚訝的發(fā)現(xiàn)

我們在不列顛哥倫比亞大學(xué)的實驗室研究真菌菌核菌核菌 Sclerotinia sclerotiorum，這是一種土傳病原體，會導(dǎo)致各種農(nóng)作物（包括油菜籽、大豆和向日葵）出現(xiàn)莖腐病或白霉病。

盡管它對經(jīng)濟作物有影響，菌核鏈球菌 S. sclerotiorum遺傳學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)尚不清楚。

在試圖更好地了解這種真菌的生物學(xué)特性時，我們的實驗室對菌核鏈球菌 S. sclerotiorum細(xì)胞分裂和繁殖過程中的 16 條染色體。

大多數(shù)真核細(xì)胞是二倍體，這意味著細(xì)胞核包含每條不同染色體的兩個拷貝。在許多真菌中，例如面包酵母，繁殖始于親本二倍體細(xì)胞分裂形成單倍體孢子細(xì)胞，單倍體孢子細(xì)胞的一個細(xì)胞核容納每條染色體的一個拷貝。

然而菌核鏈球菌 S. sclerotiorum孢子，稱為子囊孢子，每個孢子都包含兩個獨立的細(xì)胞核。以前，假設(shè)每個細(xì)胞核都是單倍體，包含完整的 16 條染色體。這意味著每個子囊孢子總共包含 32 條染色體，類似于二倍體細(xì)胞。

使用熒光顯微鏡，我們能夠直接計算單個子囊孢子中存在的染色體數(shù)量。值得注意的是，我們始終只觀察到每個子囊孢子有 16 條染色體，這與當(dāng)前“一個細(xì)胞核，一個完整基因組”理論預(yù)測的 32 條染色體相沖突。

此外，我們使用熒光探針標(biāo)記特定的染色體，發(fā)現(xiàn)子囊孢子中的兩個細(xì)胞核含有不同的染色體。子囊孢子包含一組 16 條染色體，分為兩個細(xì)胞核，而不是每個細(xì)胞核包含一組完整的染色體。

不規(guī)則的方式

我們問的下一個問題是 16 條染色體是否隨機分布在兩個細(xì)胞核之間，或者這種基因組分裂是否遵循規(guī)則模式。

為了回答這個問題，我們分離了單個細(xì)胞核，并通過以下方式確定了哪些染色體存在聚合酶鏈反應(yīng) （PCR）分析。我們發(fā)現(xiàn)染色體組成在細(xì)胞核之間存在差異，這表明細(xì)胞核之間的染色體分裂是不規(guī)則的。

出于好奇，我們試圖調(diào)查其他真菌中是否也會出現(xiàn)類似的現(xiàn)象。灰霉病是同一科的另一種植物病原真菌菌核鏈球菌 S. sclerotiorum.

B. 灰熊產(chǎn)生分生孢子，通常有四到六個細(xì)胞核，而不是在子囊孢子中經(jīng)常觀察到的兩個菌核鏈球菌 S. sclerotiorum.使用類似的方法，我們發(fā)現(xiàn)B. 灰熊基因組在細(xì)胞核之間類似地分裂，每個細(xì)胞核通常攜帶三到八條染色體。

這一觀察結(jié)果表明，單倍體基因組跨細(xì)胞核“分裂”發(fā)生在多種植物病原真菌中。然而，這種現(xiàn)象是否在真菌科甚至其他真核生物中傳播得更廣泛，還需要進(jìn)一步研究。

未知的機制

觀察到菌核鏈球菌 S. sclerotiorum和B. 灰熊單倍體基因組在細(xì)胞核中劃分引發(fā)了關(guān)于這種分離如何在真菌生命周期的其余部分發(fā)揮作用的問題。

為了產(chǎn)生下一代，這些真菌需要用全套染色體改造二倍體細(xì)胞，從中可以產(chǎn)生新的子囊孢子。據(jù)推測，這需要細(xì)胞核與互補染色體融合才能重新組合基因組。那么這些真菌如何確保正確的細(xì)胞核融合呢？

也許最簡單的解釋是生存能力選擇：細(xì)胞核可以隨機融合，但只有那些具有完整基因組的細(xì)胞核才能產(chǎn)生活的子囊孢子。

這似乎效率低下，更具吸引力的情況將涉及某種結(jié)構(gòu)或機制，以在初始分裂后將互補細(xì)胞核保持在一起，使它們能夠在真菌生命周期的后期輕松重新組裝。

我們希望我們未來的工作能夠為這些有趣的問題提供答案，并有助于拓寬我們對細(xì)胞核及其基因組基本動力學(xué)的理解。

這種理解的提高將使基因編輯發(fā)生巨大革命，使研究人員能夠隨意縱染色體和細(xì)胞核。

李昕， 植物學(xué)教授，不列顛哥倫比亞大學(xué);埃丹·杰克遜， 博士生， 植物學(xué)，不列顛哥倫比亞大學(xué)和李志強， 碩士研究生， 醫(yī)學(xué)，不列顛哥倫比亞大學(xué)

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