科学家发现基因控制基因重组率

遗传学是一个废话。在有性繁殖期间，来自母亲和父亲的基因混合并混合以产生每个后代独特的遗传组合。在大多数情况下，染色体排列正确并交叉。然而，在一些不幸的情况下，“自私的DNA”进入混合物，引起染色体中缺失或插入的异常交叉，这可能表现为出生缺陷。

科学家们早就认识到，通过过度称为重组来交换遗传物质对于自然选择至关重要。然而，有些物种比其他物种表现出更多的交叉。为什么?研究人员假设交叉率已经发展到平衡交叉带来的好处和自私DNA的风险。

罗切斯特大学生物系主任生物学教授达文•普雷格雷夫斯说：“现在有一个关于某些分子，生物和基因组现象如何随着自私的遗传因素而演变出来的谜团。”“自然选择在生态环境中的作用基本上是一个已解决的问题，但自然选择在回应自私遗传因素方面的作用仍在制定中。”

识别基因

Presgraves和Ph.D.候选人Cara Brand最近完成了学习这些进化动力学的重要里程碑。通过研究两种果蝇，他们发现了一种控制重组率的基因MEI-218。在当前生物学发表的一篇论文中，他们解释了MEI-218如何控制物种之间的交叉率和发挥作用的进化力的差异。

“这是我所知道的第一个基因，任何人都已经证明了重组率的演变，”Presgraves说。

该团队专注于两种密切相关的果蝇 - 黑腹果蝇及其姊妹物种果蝇(Drosophila mauritiana) - 因为它们的重组率有很大差异：D. mauritiana的交叉量比D. melanogaster多1.5倍。当他们比较两种不同物种的基因时，研究人员发现MEI-218的DNA序列异常不同。

遗传重组的重要性

“当有多种基因型可以作用时，自然选择效果最好，”该论文的第一作者布兰德说。“通过重组改组等位基因组合产生了自然选择所依赖的多样性。”

因此，重组有两个主要原因：

假设有两个染色体与基因A和B在一个染色体上你可能有一个“好”(效益)的A等位基因和“坏”(有害)B基因。在另一条染色体上你可能有相反的情况;一个坏的A等位基因和一个好的B等位基因。哪条染色体会更好?“这是一个混合的包，一条染色体不一定能胜过另一条染色体，”布兰德说。“重组可以改变我们的等位基因组合，使得一条染色体最终可以将良好的A和B等位基因结合在一起，而另一条染色体可以将不良的A和B等位基因组合在一起。现在，当这些染色体竞争时，两个好的等位基因将在后人。”

我们的等位基因组合在我们当前的环境中很好，但环境总是在变化。现在适应性和健康的好等位基因在下一代可能不是这样。重组可以改变这些基因的组合，使一些基因变坏，那些后代会死亡，但有些会很好，这些后代会存活下来。

“重组很重要 - 不难让人相信 - 但是当我们看到不同的物种时，我们发现交叉率不同，”布兰德说。“为什么要提高或降低重组率?”

自然选择和自私DNA的神秘面纱

布兰德说，没有一个理想的交叉率或分布。交叉是产生可行后代所必需的，但是交叉也存在风险。被称为转座子 - 重复遗传元件的自私DNA序列似乎对其宿主没有益处 - 分布在整个基因组中。转座子类似于病毒，但它们不是注入细胞，而是侵入遗传物质。如果在染色体上不同位置的转座子之间发生异常交换，则染色体不能正确排列，重要的基因可能被复制或删除。

Brand和Presgraves假设D. mauritiana和D. melanogaster之间的重组率变化可能已经进化，因为该物种在其基因组中具有不同量的转座子。D. melanogaster基因组具有比D. mauritiana更多的转座子，因此D. melanogaster因此可以进化较低的交叉率以避免转座子之间有害交叉的较高风险。

这意味着，MEI-218基因不断发展到不断变化的最佳状态。Presgraves说，MEI-218的进化与免疫相关的基因相似。“这应该具有一定的直观意义，因为参与免疫的基因不断适应不断变化的社区病原体，这些病原体一直在挑战我们。”

进化生物学家将这些进化动力学称为“进化军备竞赛”，因为通过积极的自然选择，基因正在追逐不断变化的适应性最佳状态。“也许你刚刚适应过，但从现在起几代人你已经不再适合了。你必须一次又一次地进化，”Presgraves说。

到目前为止，MEI-218基因仅在果蝇中进行了研究，但对重组的研究可用于人类。“在减数分裂期间，每条染色体至少需要一次交叉，一般来说，需要确保染色体正确分离，”布兰德说。“在基因组的错误区域缺乏交叉或交叉是导致许多出生缺陷如唐氏综合症的原因。”