由巴塞羅那自治大學(UAB)和肯特大學的研究人員領導的一項研究揭示了雄性生殖細胞的基因組3D結構是如何決定基因組如何隨時間演變的。這些發現已於今日發表在《自然-通訊》上。

據了解，這種變化發生在囓齒動物物種中，其顯示出在卵子和精子細胞產生過程中發生的獨特事件對基因組進化有不同的影響並為所有生物體的基因組結構的遺傳起源開闢了新的研究路徑。

研究人員在對許多不同哺乳動物物種的基因組進行比較後發現，雖然所有物種都有大致相似的基因目錄，但這些基因在每個物種中的排列順序是不同的，並且可以以不同的方式關閉和開啟。這些重排可能對基因的功能和調節產生影響，因此在進化變化和定義物種身份方面發揮了作用。到目前為止，這些重排的最終起源一直是個謎：它們在哪裡（在哪些細胞類型中）和（在發育過程中）什麼時候產生？它們是在減數分裂過程（產生配子的細胞過程）中發生的染色體拷貝之間正常的基因重組的副產品還是在生命週期的其他階段產生的？

現在，由巴塞羅那自治大學和肯特大學的科學家領導的一項研究表明，精子的產生是進化過程中基因組區域如何在染色體內部和之間重新組織的關鍵。特別是，遺傳的染色體重排跟物理和生物化學過程有關，這些過程是精子生產的最後階段所特有的，即減數分裂細胞分裂完成後。

一個人的DNA總序列或基因組被折疊成細胞核內專門定制的動態三維染色質結構，這決定了每種細胞類型中哪些基因被“打開”哪些被“關閉”。所有有性繁殖的生物都通過一個稱為減數分裂的過程產生配子，其中包括一輪基因組複製和連續兩次細胞分裂，留下單倍體細胞（配子），每個染色體只有一個副本。在減數分裂過程中，基因在繼承自母親和父親的染色體副本之間“洗牌”，這一過程被稱為基因重組。這些複雜的事件意味著基因組必須以精確和高度調節的方式被包裝和解包到染色質中。

阿拉伯銀行生物技術和生物醫學研究所(IBB)細胞生物學、生理學和免疫學系副教授Aurora Ruiz-Herrera博士表示，他們的工作表明，雄性配子形成過程中染色質重塑的動態變化是了解基因組哪些部分在細胞核內相互靠近的根本，因此在整個雄性精子發生過程中，在不同的時間段，更有可能參與到染色體重排中。”

分析囓齒動物的基因組重排情況

為了研究基因組進化，該團隊比較了13種不同的囓齒動物的基因組，並解開了區分它們的重排。肯特大學生物科學學院基因組學講師、該研究的論文共同負責人Marta Farré博士指出：“這使我們能夠計算出囓齒動物共同祖先的基因組配置並確定參與基因組重排的進化斷點區域(EBRs)的位置。

“驚人的是，EBRs跟在精子發生的後期階段活躍的區域有關，此時發育中的雄性生殖細胞被稱為精子，”肯特大學生物科學學院分子遺傳學和生殖學高級講師、該研究的共同負責人Peter Ellis博士說道，“發生在EBRs的重排被發現打破並重新連接了精子細胞核中物理上相互靠近的DNA鏈段。”

此外，EBRs跟減數分裂重組熱點無關，這表明這些重排很可能沒有發生在雄性或雌性的減數分裂期間。相反，EBRs跟精子中的DNA損傷位置相關聯。

精子是在細胞分裂結束後經歷精子發育的最後階段的細胞–而在這個過程中發生的事件是雄性特有的。因此，這意味著雄性和雌性在對基因組進化的影響方面是不平等的，這令人震驚。“在所有將老鼠跟老鼠、松鼠或兔子區分開來的重排中大多數似乎都是在精子細胞而不是卵子細胞中產生的，”Ellis博士表示，“對我來說，這表明雄性生殖系統是基因組結構進化的總體引擎。”

Marta Farré博士稱：“我們發現，發育中的精子細胞保留了對以前基因組配置的’記憶’。在囓齒類動物的共同祖先中，有一些DNA片段曾是單一染色體的一部分，但現在卻位於小鼠的不同染色體上–然而這些染色體仍然相互靠近並在發育中的精子細胞中特別進行物理接觸。”

為什麼在雄性生殖細胞中？

研究人員提出對其結果的一個解釋是在卵子和精子細胞生成過程中發生的不同事件。雖然精子和卵子細胞在減數分裂過程中都會重新調整DNA，但這個過程中產生的DNA斷裂會被高度準確地修復。然而精子細胞也必須將其DNA壓縮到一個很小的體積中以適應精子頭。這種壓實會導致DNA斷裂並使用一種易出錯的方法來修復DNA。其中一些錯誤會產生基因組重排，這解釋了精子發育是基因組進化的一個關鍵因素的原因。

另一方面，目前一個未解之謎是，為什麼有些物種的基因組非常穩定且很少重排，而有些物種的基因組高度動態且有多次重排。“我們的工作表明，這可能是由於在精子生產過程中DNA在何處及何時被破壞和修復的細節，”Ruiz-Herrera博士說道。

研究人員指出，雖然這項研究是在囓齒動物中進行的，但精子生成是一個高度保守的過程，因此這一原則可能廣泛適用於整個生命樹。