自私基因元件将胚胎变成战场！ | 生物360

“Nature red in tooth and claw” 用于描述自然界的残酷无情并不过分，血染的爪与牙确实是自然界动物繁殖生存之道。一些没有 “爪与牙” 或者不够强大的弱者也有自己的武器：用毒自保或者对付猎物。但是当再次看到证据表明自然界 “生存之战” 早已经打到基因层面上，线虫基因中的毒素 - 解毒剂元件竟然用来排除不携带元件的子代生存，还是要感叹：连小小线虫子代繁殖都存在有这么复杂的宫斗戏码，自私排他果然是自然之天性。。。

毒素 - 解毒元件是一对基因，通过杀死非携带者而在群体里传播。奥地利科学院分子生物技术研究所的 Burga 实验室和加利福尼亚大学洛杉矶分校的 Kruglyak 实验室进行的研究表明，这类元件在自然界比我们最初想象的更为普遍，在一种线虫的基因组中甚至已经进化出各种各样的机制，来促进基因元件的继承和在群体中传播。

毒素 - 解毒剂元件由两个连锁基因组成——毒素及其解毒剂，最初在线虫模型：秀丽隐杆线虫中发现。当母亲将毒素装载到卵中时，只有继承了这种元件的胚胎才会表达解毒剂。因此，后代必须继承该元件才能生存。这样，毒素 - 解毒剂对就能够促进自身生存并在群体中传播。这是需要付出巨大代价的——那些不遗传该元件的子代，约占四分之一的后代，就成为毒素的牺牲品。

“在我们的研究之前，只发现过少数几个的毒素 - 解毒剂对，是在不同的实验室偶然发现的。我们想知道：如果我们实际上去寻找这些自私的元素，它们会是稀有的还是常见的？” IMBA 组长 Alejandro Burga 这样说。Burga 和 Kruglyak 的研究小组在另一种热带线虫 Caenorhabditis tropicis 中寻找毒素 - 解毒剂对。研究人员确定了五对新的毒素 - 解毒剂。在第三种线虫 C. briggsae 中发现了另一个这种 “自私的元件”。Burga 解释说：“这表明这种自私的元件并不罕见，在线虫中相当普遍。” 出人意料的是，一些新近鉴定出的毒素 - 解毒剂对，并不像在 C. elegans 中鉴定出的那样直接破坏胚胎发育，而是在发育的后期杀死非携带者。还有一对这类元件并不杀死非携带者，而是只延迟非携带者的繁殖开始。事实证明，这足以使元素在整个群体中传播。研究人员现在正在进一步研究其作用机理。

Burga 和他的同事又做了一个惊人的观察。研究人员发现，不同的毒素 - 解毒剂对可以位于同源染色体上。“由于这种配对，我们不仅看到自私元件与个体之间存在冲突，而且自私元件之间也存在试图相互取代的冲突。” 这可能是这些自私的基因之间的战争，但个体陷入了交火。“如果假设，自私的元件可能在物种形成中具有直接作用。当到达在某一点时，携带如此多的元件可能会压倒它们产生可行后代的能力，” 该研究的第一作者，耶路撒冷希伯来大学现任助理教授 Eyal Ben-David 补充道。作为一个鲜明的例子，Burga 及其同事发现，通过两个株系之间的一次杂交，毒素解毒剂元素合共造成 70% 以上的子代缺陷。David 说：“这种程度的不兼容在野外可能是无法克服的。”

通过研究毒素 - 解毒剂对获得的知识可用于改善基因驱动系统。科学家们已经在实验室中进行了合成的基因驱动元件的工程设计，用以控制媒介传播的疾病，例如，通过传播影响蚊子繁殖力的基因。但是，基因驱动通常会因突变而受阻，因此需要更强大的系统来确保成功，布尔加说。“通过研究作为自然基因驱动系统的自私元件，我们希望我们能在不久的将来设计出更好的人工合成元件。自私元件已经在线虫中进化了数千年，并在世界范围内传播——自然确实是最好的老师。” 该研究的共同第一作者 Pinelopi Pliota 说。

毒素 - 解毒剂对最初是在 1980 年代在细菌中发现的，类似元素已经在酵母，植物，昆虫和线虫中出现。Burga 说：“毒素 - 解毒剂元素在整个生命树中都是独立进化的。要么我们人类是一个独特的、这种元件还没有进化的案例，或者我们还没有发现它们。”

###Eyal Ben-David et al.: "Ubiquitous selfish toxin-antidote elements in Caenorhabditis species". Current Biology, 2021.

关于 IMBA

IMBA - 分子生物技术研究所 - 是欧洲领先的生物医学研究所之一，致力于前沿干细胞技术，功能基因组学和 RNA 生物学。IMBA 位于维也纳生物中心，是奥地利充满活力的大学，研究机构和生物技术公司的集群。IMBA 是奥地利科学院的子公司。IMBA 的干细胞和类器官研究由奥地利联邦科学部和维也纳市资助。

生物通编译自 Eurekalert