Science：揭示染色体不对称分配到卵子中之谜
你的每个细胞含有23对染色体，就每对染色体而言的一条染色体遗传自你的父亲，另一条染色体遗传自你的母亲。理论上，当你产生配子（即生殖细胞）---精子或卵子时，每条染色体具有50:50的机会分配到配子中。但是实际情形并非如此。
图片来自University of Pennsylvania
科学家们已观察到染色体能够“欺骗”，从而让它们不对称地进入到生殖细胞中。如今，在一项新的研究中，来自美国宾夕法尼亚大学的研究人员展示了这种不对称性如何在雌性细胞中产生。通过仔细地观察和研究小鼠卵母细胞（即卵子的前体细胞），他们检测到促进减数分裂发生的纺锤体出现不对称性分布的分子信号。减数分裂是产生配子的细胞分裂过程。他们发现在减数分裂期间，某些染色体利用这种不对称性分布自我移动到细胞的“正确的”一边，最终出现在卵子中。
通过了解减数分裂中的一个常见的但仍然知之甚少的方面，这些发现可能让人们更好地理解减数分裂，包括减数分裂中的错误如何和为何能够出现。在减数分裂期间，将染色体分配到配子中发生错误是导致某些流产和唐氏综合征等疾病的根本原因。
就雌性动物而言，减数分裂的最终阶段产生一个会变成有活力的卵子的细胞和另一个被称作极体（polar body）的细胞。极体通常会被降解。
为了理解这种不对称的染色体分配，这些研究人员着重关注小鼠卵母细胞中的减数分裂纺锤体，即一种由附着到染色体上的微管组成的结构。在细胞分裂之前，这种减数分裂纺锤体将这些染色体拉到细胞的两个相反的边：细胞的一边最终产生卵子，故而被称作卵子边；细胞的另一边更靠近于皮质（cortex），故而被称作为皮质边。通过研究小鼠卵母细胞中的微管，他们发现一种被称作酪氨酸化（tyrosination）的修饰存在着不对称分布：细胞的卵子边要比皮质边具有更少的这种修饰。这种不对称性仅当减数分裂过程中纺锤体从细胞的中间位置向皮质那边移动时才会存在。
论文通信作者、宾夕法尼亚大学文理学院生物学副教授Michael Lampson说，“这就告诉我们肯定有一种导致酪氨酸修饰的信号来自于皮质。问题是这种信号是什么？”
这些研究人员已对增加细胞皮质边中的基因表达的分子（包括CDC42）有了一些了解。为了验证CDC42是否导致这种不对称的酪氨酸化，他们采用了他们之前设计的一种实验系统，该系统利用一种光敏感的测试方法将CDC42选择性地富集在纺锤体极的一边上。他们的结果提示着CDC42至少部分诱导酪氨酸化不对称分布，因而诱导纺锤体在分裂细胞中不对称分布。
通过确定这种不对称分布存在和它是如何产生的，这些研究人员着手证实这种不对称性能够让染色体施展欺骗手段。为此，他们着重关注着丝粒（centromere），即附着到纺锤体上的染色体区域。他们让两种小鼠品种进行杂交，最终获得每个细胞中都具有两种着丝粒类型---一种更大的着丝粒和一种更小的着丝粒---的小鼠。
基于这些研究人员早期的研究，他们已知道更大的着丝粒偏好地分配到配子中。在当前的研究中，他们证实这种更大的“更强的”着丝粒确实更可能地移向细胞中的最终产生卵子的纺锤体极。
当这些研究人员通过让CDC42和其他的靶标发生突变而破坏这种纺锤体不对称分布时，这种着丝粒定向差异消失了。
Lampson说，“这就将纺锤体不对称分布与染色体或着丝粒欺骗的观点相关联在一起。”
但是这一结果也提出了一个问题：鉴于当纺锤体在细胞的中间位置开始移动时，着丝粒已经不对称地附着到纺锤体上，那么着丝粒的偏好定向是何时产生的呢？
通过对活的小鼠卵母细胞进行成像观察，这些研究人员发现这些“更强的”着丝粒要比“较弱的”着丝粒更可能从纺锤体上脱落下来，而且如果它们向细胞的皮质边定向时，它们特别可能脱落下来，据猜测，这是为了它们翻转和自我定向到细胞的卵子边。这些较弱的着丝粒仅很少脱落下来，而且对细胞的一边或另一边没有偏好性。
在未来的研究中，Lampson和他的团队希望进一步探究着丝粒的哪些特征让它们变强或变弱。
Lampson说，“这项研究给人们提供了一些关于着丝粒不对称分配的一些好信息，但是它也带来了很多其他的问题。比如，我们的着丝粒为何看起来是这样的？它们如何经过进化在这些竞争中取胜？这些都是我们还不太了解的基本生物学问题。”
原始出处：
Takashi Akera, Lukáš Chmátal, Emily Trimm et al. Spindle asymmetry drives non-Mendelian chromosome segregation. Science, 03 Nov 2017, 358(6363):668-672, doi:10.1126/science.aan0092
Francis J. McNally. Competing chromosomes explain junk DNA. Science, 03 Nov 2017, 358(6363):594-595, doi:10.1126/science.aaq0200
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