Nat Commun|英国约翰英纳斯中心解决世纪难题——性细胞如何获得正确的基因组合

一项新的发现解释了是什么决定了发生在生殖细胞中的基因交换的数量和位置，比如植物的花粉和卵子，或者人类的精子和卵子。

当生殖细胞通过一种叫做减数分裂的特殊细胞分裂产生时，染色体交换了大量的DNA片段。这就确保了每个新细胞都有独特的基因组成，并解释了为什么除了同卵双胞胎，没有两个兄弟姐妹的基因完全相同。这些DNA交换或交叉，对于产生遗传多样性是必不可少的，遗传多样性是进化的驱动力，它们在染色体上的频率和位置受到严格控制。

粗线期细胞核中的 HEI10 蛋白质动力学

该研究的共同第一作者克里斯·摩根博士解释了这一现象的重要性:“交叉定位对进化、繁殖能力和选择性育种具有重要意义。通过了解驱动交叉定位的机制，我们更有可能找到改进交叉定位的方法，以改进当前的动植物育种技术。”

尽管经过了一个多世纪的研究，决定交叉点在哪里以及有多少交叉点形成的细胞机制仍然是一个谜，这是一个令许多著名科学家着迷和沮丧的谜。“交叉干扰”一词出现于1915年，描述的是这样一种观察结果:当染色体上某个位置发生交叉时，它会抑制附近交叉的形成。

使用先进的数学模型和3 d-sim超分辨率显微镜,约翰英纳斯中心的一个研究小组已经解决了这个世纪古老的神秘通过识别机制,确保交叉数字和位置都是“刚刚好”:不是太多,不是太少,不太紧密。

该团队研究了一种名为HEI10的蛋白质的行为，这种蛋白质在减数分裂的交叉形成中起着不可或缺的作用。超分辨率显微镜显示，he10蛋白沿着染色体聚集，最初形成许多小群体。然而，随着时间的推移，HEI10蛋白只集中在少量更大的簇中，一旦它们达到临界质量，就可以触发交叉形成。

然后将这些测量结果与模拟这种聚类的数学模型进行比较，该数学模型基于HEI10分子的扩散和聚类的简单规则。该数学模型能够解释和预测许多实验观测，包括交叉频率可以通过简单地改变HEI10的数量可靠地修改。

共同第一作者约翰·福扎德博士解释说:“我们的研究表明，来自拟南芥生殖细胞的超分辨率图像数据与拟南芥交叉模式的数学'扩散介导粗化’模型一致。这个模型帮助我们理解减数分裂染色体的交叉模式。”

这项工作建立在约翰英纳斯中心的传统之上，该中心使用植物作为模型生物来研究遗传学的保守和基本方面。20世纪30年代，JIC校友霍尔丹(j.b.s. Haldane)和达林顿(Cyril Darlington)也研究了同样的过程。该模型还支持另一位著名的JIC校友罗宾·霍利迪(Robin Holliday)在上世纪70年代做出的预测。

通讯作者马丁·霍华德教授补充说:“这项工作是跨学科研究的一个很好的例子，在那里，前沿实验和数学建模都需要解锁机制的核心。未来一个激动人心的方向是评估我们的模型是否能成功解释其他不同生物体的交叉模式。”

这项研究对小麦等谷类作物尤其有价值，因为这些作物的杂交大多局限于染色体的特定区域，使植物育种家无法充分利用这些植物的遗传潜力。

Chris Morgan, John A. Fozard, Matthew Hartley, Ian R. Henderson, Kirsten Bomblies, Martin Howard. Diffusion-mediated HEI10 coarsening can explain meiotic crossover positioning in Arabidopsis. Nature Communications, 2021; 12 (1) DOI: 10.1038/s41467-021-24827-w

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