科學家終於解開了酵母小著絲粒之謎

由多特蒙德馬克斯普朗克分子生理學研究所所長 Andrea Musacchio 和紐約大學格羅斯曼醫學院的 Jeff Bucke 領導的研究小組現已發現了酵母著絲粒的起源和進化歷史。科學家已經確定了他們所描述的著絲粒“啟動點”，這是一種將當今的小型酵母著絲粒與其更複雜的祖先連接起來的中間形式。那些早期版本含有寄生蟲的部分 DNA。這項發現凸顯了 DNA 層面上進化變化最引人注目的例子之一。

著絲粒悖論

著絲粒是染色體上細胞機器在細胞分裂過程中附著的特定部位。這種機制將每條染色體與另一條染色體分開，以便兩個新細胞接收正確的遺傳物質。由於這一作用，著絲粒對於從酵母到人類的所有分裂細胞中準確的染色體分離至關重要。

儘管負責染色體分離的細胞機制在整個進化過程中基本上保持保守，但著絲粒的 DNA 變化卻驚人地迅速。科學家將這種令人費解的模式稱為「著絲粒悖論」。酵母是這種現象最引人注目的例子之一，因為它們的著絲粒異常小且定義精確。在這項新研究中，馬克斯普朗克研究所和紐約大學的研究人員首次揭示了這些獨特的酵母著絲粒如何進化並確定其遺傳起源的機制解釋。

酵母演化的重大發現

第一作者馬克斯·哈斯在以下訪談中詳細解釋了新發現。

你有什麼發現？

我們的研究解釋了啤酒酵母中一個非常重要的染色體特徵——著絲粒——是如何出現的。在酵母中，它們非常小且微小，這是生命樹中的一個驚人的奇怪現象，幾十年來一直困擾著染色體生物學家。在這項工作中，我們展示了它們進化中可能的中間階段，並追蹤了這些特殊著絲粒的 DNA 來源。

為什麼這麼令人興奮？

我們在相關酵母物種中發現了以前未知的著絲粒，這些著絲粒似乎處於啤酒酵母中富含重複的大著絲粒和小著絲粒之間的中間階段。這些著絲粒的 DNA 與一類稱為反轉錄轉座子的「跳躍基因」（移動 DNA 片段）相關，這表明​​這些元件為進化重塑現代酵母著絲粒提供了原材料。這為酵母如何獲得這種不尋常的著絲粒提供了具體的遺傳學解釋。

為什麼您的結果對科學界很重要？

自 20 世紀 80 年代初期 Clark 和 Carbon 的工作開始，酵母著絲粒是第一個被分離並詳細確定其功能 DNA 序列的著絲粒，但如此小的、精確定義的著絲粒如何進化仍然是一個謎。透過展示如何從一種類型的著絲粒重建另一種類型的著絲粒，我們的工作解決了這個長期存在的問題，並展示瞭如何馴服「自私」或寄生 DNA 片段並將其轉化為細胞現在賴以組織染色體的 DNA。這提供了一個具體的例子，說明染色體的重要部分如何透過演化重新利用以前看似遺傳「垃圾」的DNA來完全重組。

接下來您將採取什麼步驟？

接下來，我們想要了解著絲粒（辨識著絲粒的蛋白質機制）如何適應著絲粒 DNA 在演化過程中所發生的如此巨大的變化。作為其中的一部分，我們解決了著絲粒如何組裝動粒的懸而未決的問題。我們也正在尋找轉座子被重新用於建構染色體結構（例如著絲粒）的其他案例，以了解這種類型的基因組創新有多常見。