所谓的 “垃圾”DNA 是必不可少的，在物种形成中起着关键作用
我们的基因组有 10% 以上是由重复的、看似毫无意义的、被称为卫星 DNA 的遗传物质组成的，这些遗传物质不为任何蛋白质编码。过去，一些科学家把这种 DNA 称为 “基因组垃圾”。
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在一系列的文件生成的几年里, 然而, 怀特黑德研究所成员 Yukiko 山下先生和他的同事们提出, 卫星 DNA 不是垃圾, 而是细胞具有重要作用: 它与细胞蛋白保持一个细胞的所有个体的染色体在一个核。
现在，在 7 月 24 日在线发表于《分子生物学与进化》杂志上的最新一期研究中，山下和前博士后研究员、目前是瑞士苏黎世联邦理工学院助理教授的 Madhav Jagannathan 进一步推进了这些研究，提出卫星 DNA 使染色体组织系统成为可能是来自不同物种的生物体无法产生可存活后代的原因之一。
“七八年前，当我们决定研究卫星 DNA 时，我们并没有研究进化的计划，” 山下说。他还是麻省理工学院 (Massachusetts Institute of Technology) 的生物学教授，同时也是霍华德 · 休斯医学研究所 (Howard Hughes Medical Institute) 的研究员。“这是科学研究中一个非常有趣的部分: 当你没有一个先入之见时，你只需要跟随线索，直到你遇到完全意想不到的东西。”
研究人员多年前就知道，卫星 DNA 在不同物种之间存在很大差异。她说:“如果你观察黑猩猩的基因组和人类的基因组，你会发现它们的蛋白质编码区大约有 98% 到 99% 是相同的。”“但垃圾 DNA 部分非常、非常不同。”
“这些是基因组中进化最快的序列，但之前的观点是，‘好吧，这些都是垃圾序列，谁在乎你的垃圾序列和我的垃圾序列是否不同?”“Jagannathan 说。
但当他们调查卫星 DNA 对纯物种的繁殖和生存的重要性时，Yamashita 和 Jagannathan 首次发现了这些重复序列可能在物种形成中发挥作用的线索。
当研究人员删除了果蝇 (Drosophila melanogaster) 体内一种与特定卫星 DNA 序列相结合的名为 Prod 的蛋白质后，果蝇的染色体就会分散到细胞核外，形成被称为微核的细胞物质小团，果蝇就会死亡。“但是我们在这一点上意识到，这个与 Prod 蛋白结合的卫星 DNA 片段在黑腹果蝇的近亲中完全缺失了，”Jagannathan 说。“它完全不存在。所以这是一个有趣的小问题。”
如果这部分卫星 DNA 对一个物种的生存至关重要，但对另一个物种却缺失，这可能意味着随着时间的推移，两种果蝇进化出了不同的卫星 DNA 序列，以发挥相同的作用。由于卫星 DNA 在保持所有染色体在一起的过程中发挥了作用，Yamashita 和 Jagannathan 想知道这些进化上的差异是否可能是不同物种繁殖不相容的原因之一。
Yamashita 说:“当我们意识到 (细胞中的卫星 DNA) 的功能后，卫星 DNA 在不同物种之间的差异就像闪电一样令人震惊。”“突然之间，这就变成了一个完全不同的调查。”
为了研究卫星 DNA 差异是如何导致生殖不亲和性的，研究人员决定将重点放在果蝇家族树的两个分支上: 经典的实验室模型黑腹果蝇和它最近的近亲果蝇模拟。这两个物种在 200 万到 300 万年前就分道扬镳了。
研究人员可以让雌性黑腹果蝇和雄性拟果蝇交配，“但这种杂交产生的后代非常不快乐，”Yamashita 说。“要么不育，要么死亡。”
Yamashita 和 Jagannathan 一起饲养果蝇，然后研究后代的组织，看看是什么导致这些 “不快乐的” 杂交后代像苍蝇一样掉落。他们立刻注意到一些有趣的事情:“当我们观察这些杂交组织时，很明显，它们的表型与你破坏了一个纯物种的卫星 DNA[介导的染色体组织] 完全相同，”Yamashita 说。染色体是分散的，没有被包裹在单个细胞核中。
此外，研究人员还可以通过改变果蝇母体中的某些被称为 “杂交不亲和性基因” 的基因，创造出健康的杂交果蝇。研究表明，杂交不亲和性基因定位于纯物种细胞中的卫星 DNA。通过这些实验，研究人员能够证明这些基因如何影响杂交后代的染色体包装，并首次确定与它们相关的细胞表型。Jagannathan 说:“对我来说，这可能是这篇论文最关键的部分。”
综上所述，这些发现表明，由于卫星 DNA 突变相对频繁，结合卫星 DNA 并将染色体保持在一起的蛋白质必须进化才能跟上，这导致每个物种发展自己与卫星 DNA 合作的 “策略”。当两个具有不同策略的生物体杂交时，就会发生冲突，导致染色体分散到细胞核外。
在未来的研究中, 山下先生和 Jagannathan 希望把他们的模型, 最终测试: 如果他们能够设计一种蛋白质, 这种蛋白质可以绑定两个不同物种的卫星 DNA 和染色体在一起, 他们理论上可以 “拯救” 注定混合, 使其生存和产生可以存活的后代。
这一生物工程的壮举可能还需要几年的时间。Yamashita 说:“现在这只是一个纯粹的概念。”“在进行这种修补的过程中，可能需要解决很多细节问题。”
目前，研究人员计划继续研究卫星 DNA 在细胞中的作用，他们对卫星 DNA 在物种形成中所起的作用有了新的认识。“对我来说，这篇论文令人惊讶的部分是我们的假设是正确的，”Jagannathan 说。“我的意思是，回想起来，有很多事情可能与我们的假设不一致，所以我们能够从开始到结束绘制出一条清晰的道路，这有点令人惊讶。”
参考文献:
“Defective Satellite DNA Clustering into Chromocenters Underlies Hybrid Incompatibility in Drosophila” by Madhav Jagannathan and Yukiko M Yamashita, 24 July 2021, Molecular Biology and Evolution.DOI: 10.1093/molbev/msab221
