新研究揭示了精子细胞3D结构在物种间进化的关键作用
导读：由巴塞罗那自治大学(UAB)和肯特大学的研究人员领导的一项研究揭示了雄性生殖细胞的基因组3D结构是如何决定基因组如何随时间演变的。
由巴塞罗那自治大学(UAB)和肯特大学的研究人员领导的一项研究揭示了雄性生殖细胞的基因组3D结构是如何决定基因组如何随时间演变的。这些发现已于今日发表在《自然-通讯》上。
据了解，这种变化发生在啮齿动物物种中，其显示出在卵子和精子细胞产生过程中发生的独特事件对基因组进化有不同的影响并为所有生物体的基因组结构的遗传起源开辟了新的研究路径。
研究人员在对许多不同哺乳动物物种的基因组进行比较后发现，虽然所有物种都有大致相似的基因目录，但这些基因在每个物种中的排列顺序是不同的，并且可以以不同的方式关闭和开启。这些重排可能对基因的功能和调节产生影响，因此在进化变化和定义物种身份方面发挥了作用。到目前为止，这些重排的最终起源一直是个谜：它们在哪里（在哪些细胞类型中）和（在发育过程中）什么时候产生？它们是在减数分裂过程（产生配子的细胞过程）中发生的染色体拷贝之间正常的基因重组的副产品还是在生命周期的其他阶段产生的？
现在，由巴塞罗那自治大学和肯特大学的科学家领导的一项研究表明，精子的产生是进化过程中基因组区域如何在染色体内部和之间重新组织的关键。特别是，遗传的染色体重排跟物理和生物化学过程有关，这些过程是精子生产的最后阶段所特有的，即减数分裂细胞分裂完成后。
一个人的DNA总序列或基因组被折叠成细胞核内专门定制的动态三维染色质结构，这决定了每种细胞类型中哪些基因被“打开”哪些被“关闭”。所有有性繁殖的生物都通过一个称为减数分裂的过程产生配子，其中包括一轮基因组复制和连续两次细胞分裂，留下单倍体细胞（配子），每个染色体只有一个副本。在减数分裂过程中，基因在继承自母亲和父亲的染色体副本之间“洗牌”，这一过程被称为基因重组。这些复杂的事件意味着基因组必须以精确和高度调节的方式被包装和解包到染色质中。
阿拉伯银行生物技术和生物医学研究所(IBB)细胞生物学、生理学和免疫学系副教授Aurora Ruiz-Herrera博士表示，他们的工作表明，雄性配子形成过程中染色质重塑的动态变化是了解基因组哪些部分在细胞核内相互靠近的根本，因此在整个雄性精子发生过程中，在不同的时间段，更有可能参与到染色体重排中。”
分析啮齿动物的基因组重排情况
为了研究基因组进化，该团队比较了13种不同的啮齿动物的基因组，并解开了区分它们的重排。肯特大学生物科学学院基因组学讲师、该研究的论文共同负责人Marta Farré博士指出：“这使我们能够计算出啮齿动物共同祖先的基因组配置并确定参与基因组重排的进化断点区域(EBRs)的位置。
“惊人的是，EBRs跟在精子发生的后期阶段活跃的区域有关，此时发育中的雄性生殖细胞被称为精子，”肯特大学生物科学学院分子遗传学和生殖学高级讲师、该研究的共同负责人Peter Ellis博士说道，“发生在EBRs的重排被发现打破并重新连接了精子细胞核中物理上相互靠近的DNA链段。”
此外，EBRs跟减数分裂重组热点无关，这表明这些重排很可能没有发生在雄性或雌性的减数分裂期间。相反，EBRs跟精子中的DNA损伤位置相关联。
精子是在细胞分裂结束后经历精子发育的最后阶段的细胞--而在这个过程中发生的事件是雄性特有的。因此，这意味着雄性和雌性在对基因组进化的影响方面是不平等的，这令人震惊。“在所有将老鼠跟老鼠、松鼠或兔子区分开来的重排中大多数似乎都是在精子细胞而不是卵子细胞中产生的，”Ellis博士表示，“对我来说，这表明雄性生殖系统是基因组结构进化的总体引擎。”
Marta Farré博士称：“我们发现，发育中的精子细胞保留了对以前基因组配置的‘记忆’。在啮齿类动物的共同祖先中，有一些DNA片段曾是单一染色体的一部分，但现在却位于小鼠的不同染色体上--然而这些染色体仍然相互靠近并在发育中的精子细胞中特别进行物理接触。”
为什么在雄性生殖细胞中？
研究人员提出对其结果的一个解释是在卵子和精子细胞生成过程中发生的不同事件。虽然精子和卵子细胞在减数分裂过程中都会重新调整DNA，但这个过程中产生的DNA断裂会被高度准确地修复。然而精子细胞也必须将其DNA压缩到一个很小的体积中以适应精子头。这种压实会导致DNA断裂并使用一种易出错的方法来修复DNA。其中一些错误会产生基因组重排，这解释了精子发育是基因组进化的一个关键因素的原因。
另一方面，目前一个未解之谜是，为什么有些物种的基因组非常稳定且很少重排，而有些物种的基因组高度动态且有多次重排。“我们的工作表明，这可能是由于在精子生产过程中DNA在何处及何时被破坏和修复的细节，”Ruiz-Herrera博士说道。
研究人员指出，虽然这项研究是在啮齿动物中进行的，但精子生成是一个高度保守的过程，因此这一原则可能广泛适用于整个生命树。