來自Stowers醫學研究所的新發現揭示了關於危險的自私基因–被認為是DNA的寄生部分–如何運作和生存的關鍵見解。了解這一動態是研究減數分裂驅動系統的更廣泛群體的寶貴資源。

2022年12月7日發表在《PLoS Genetics》上的一項新研究揭示了酵母中的一個自私基因是如何使用一種毒藥-解毒劑策略來實現其功能的，並可能促進了其長期進化的成功。這一策略對於研究類似系統的科學家來說是一個重要的補充，包括那些正在設計用於病原體害蟲控制的合成驅動系統的團隊。在理解驅動力方面的集體和合作進展，有朝一日可能會導致消除危害農作物的害蟲種群，甚至在病媒傳染的疾病中危害人類。

描述解毒劑和毒藥表達的機制和分佈的插圖。在減數分裂開始時，兩種蛋白質都表達。後來，解毒劑只在孢子外面發現，而毒蛋白則在整個過程中無處不在。最後，繼承wtf4的成熟孢子含有毒藥和解毒劑，而其他孢子則被破壞。資料來源：Stowers醫學研究所

“對於一個基因組來說，編碼一種有能力殺死生物體的蛋白質是相當危險的，”Stowers副研究員Sarah Zanders博士說，”然而，了解這些自私元素的生物學特性可以幫助我們建立合成的驅動力來改變自然種群。”

驅動因素是一種自私的基因，它能以比大多數其他基因更高的速度在種群中傳播，而不會給生物體帶來好處。Zanders實驗室以前的研究顯示，酵母中的一個驅動基因wtf4產生的毒蛋白能夠破壞所有的後代。然而，對於一個給定的親本細胞的染色體對，當wtf4只在一條染色體上發現時，就能實現驅動。其效果是，通過提供一劑非常類似的蛋白質來抵消毒藥，即解毒劑，只對那些繼承了驅動等位基因的後代同時進行拯救。

減數分裂從開始到八小時的進展（每行）。左欄和中欄分別顯示解毒劑和毒藥蛋白的分佈，隨著孢子的發育。右欄是孢子發育過程中毒藥（青色）和解毒劑（品紅色）的綜合分佈。資料來源：Stowers醫學研究所

在這項工作的基礎上，由Zanders實驗室的前博士生研究員Nicole Nuckolls博士和現任博士生研究員Ananya Nidamangala Srinivasa領導的研究發現，從wtf4生成毒物和解毒蛋白的時間差異以及它們在發育中的孢子內的獨特分佈模式是驅動過程的基礎。

該團隊已經開發了一個模型，他們正在繼續研究毒藥如何作用於孢子–相當於酵母中的人類卵子或精子。他們的研究結果表明，毒物蛋白聚集在一起，可能會破壞細胞運作所需的其他蛋白的正常折疊。由於wtf4基因同時編碼毒藥和解毒劑，解毒劑的形式非常相似，並與毒藥聚集在一起。然而，解毒劑有一個額外的部分，似乎是為了隔離毒藥-解毒劑集群，把它們帶到細胞的垃圾桶，即空泡。

為了了解自私基因在繁殖過程中的作用，研究人員觀察了孢子形成的初期，發現毒蛋白在所有發育中的孢子及其周圍的囊中表達，而解毒蛋白在整個囊中只以低濃度出現。在發育的後期，解毒劑在從母體酵母細胞中繼承了wtf4的孢子內富集。

研究人員發現，繼承了驅動基因的孢子在孢子內製造了額外的解毒蛋白以中和毒物並確保它們的生存。

研究小組還發現，一個控制參與孢子形成的許多其他基因的特殊分子開關也控制著wtf4基因的毒藥表達，但不是解毒劑。該開關對酵母的繁殖至關重要，並且與wtf4有著千絲萬縷的聯繫，有助於解釋為什麼這個自私的基因能夠如此成功地躲避宿主禁用該開關的任何嘗試。

“我們認為這些東西堅持了這麼久的原因之一–它們使用了這種偷偷摸摸的策略，利用了開啟酵母繁殖的同一個基本開關，”尼達曼加拉-斯里尼瓦薩說。

“如果我們能夠操縱這些DNA寄生蟲在蚊子中表達並驅動它們的破壞，這可能是控制有害物種的一種方法，”努克爾斯說。