? 网曝吃瓜黑料在线网站首页,午夜天堂av天堂久久久

亚洲 a v无 码免 费 成 人 a v,性欧美videofree高清精品,新国产三级在线观看播放,少妇人妻偷人精品一区二区,天干天干天啪啪夜爽爽av

用12年，探尋渦蟲的遺傳秘密：種豆竟然會得瓜？

2022/06/13
導讀
透過有性渦蟲，我們得以一窺性染色體演化的最早期的秘密
    6.12
知識分子The Intellectual

渦蟲是研究器官再生的極佳模式生物| 圖源：istockphoto,Sinhyu


   編者按

渦蟲是研究器官再生的極佳模式生物。1766年，普魯士動物學家Peter Simon Pallas 首先記錄下淡水渦蟲令人驚奇的再生能力，拉開了渦蟲再生研究的序幕。200多年來，無數(shù)研究者利用渦蟲，構(gòu)建出了一個龐大系統(tǒng)的研究體系。然而，在過去的200年里，這個系統(tǒng)里沒有遺傳學。

本文的主人公郭龍華便是這渦蟲研究大軍中的一員，他曾是加州大學洛杉磯分校遺傳學的博后，如今已在密歇根大學建立了自己的實驗室，未來研究將集中于衰老和再生領(lǐng)域的前沿問題。從他09年赴美讀博至今，已經(jīng)與渦蟲打了12年交道。6月1日，郭龍華關(guān)于渦蟲的最新研究在Nature正式上線，他發(fā)現(xiàn)地中海渦蟲（Schmidtea mediterranea）1號染色體上富集了眾多與生殖系統(tǒng)發(fā)育相關(guān)的基因，表現(xiàn)出性染色體的特征和功能。這一發(fā)現(xiàn)為研究性別決定的演變提供了一個絕佳的機會。透過有性渦蟲，我們得以一窺性染色體演化的最早期的秘密。

他的這一發(fā)現(xiàn)并非偶然，要從十幾年前的博士生涯開始講起。故事很長，但很有趣。


撰文 | 黃宇翔責編 | 王雨丹


 ●                  　●                   　●



 一個驚奇現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) 

（2009.9-2013.1）
01
2009年1月，鹽湖城。

一下飛機，山頂白雪皚皚的落基山脈立刻映入眼簾，視野開闊的自然風光令郭龍華心曠神怡。

兩天后，在完成與 Alejandro Sánchez Alvarado 教授的面試之后，郭龍華立刻接受了猶他大學生物學系博士項目伸出的橄欖枝，決定在落基山脈沃薩奇嶺山腳下開展自己的博士研究。

除了優(yōu)美自然景色的吸引，郭龍華選擇猶他大學，還因為在這里能夠研究一種獨特的實驗動物——淡水渦蟲（Planarian）。

02
在傳統(tǒng)的動物分類學上，淡水渦蟲隸屬于扁形動物門渦蟲綱三腸目，廣泛分布于世界各地。

1766年，普魯士動物學家 Peter Simon Pallas 首先記錄下淡水渦蟲令人驚奇的再生能力，拉開了渦蟲再生研究的序幕。[1]

19世紀，美國發(fā)育學家 Harriet Randolph 對渦蟲的再生能力展開系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過切割后的渦蟲，身體的每一部分竟然都能重新發(fā)育為一個完整的渦蟲個體。她由此推測，渦蟲全身遍布著一類具有高度分化潛力的多能干細胞，并將其命名為 “Neoblast”。[2]

在 Harriet Randolph 工作的影響下，另一位美國發(fā)育學家 Thomas Morgan 也對渦蟲再生的問題產(chǎn)生了興趣，他將一只渦蟲 “千刀萬剮” 成了279個碎片，驚訝地發(fā)現(xiàn)渦蟲在如此情況下一些身體碎片依然能夠重新再生出結(jié)構(gòu)完整的個體。[3-6]

Morgan在發(fā)表了數(shù)篇對于渦蟲再生的研究之后，發(fā)現(xiàn)無法深入地窺見再生的機理。于是轉(zhuǎn)而研究果蠅。于是，開啟了遺傳學的世紀。Morgan也成為孟德爾之后的歷史上最偉大的遺傳學家之一：發(fā)現(xiàn)了染色體是生物性狀遺傳的本質(zhì)。由此，才會有后來的DNA雙螺旋的重要性。

圖1 19世紀發(fā)育生物學家Harriet Randolph和Thomas Morgan關(guān)于渦蟲強大再生能力的記錄 | 圖源[12]


隨著二十世紀遺傳學的興起，憑借在研究基因調(diào)控機制方面的便利，以果蠅為代表的模式生物一躍成為推動發(fā)育生物學發(fā)展的領(lǐng)軍者，而渦蟲領(lǐng)域的研究者們則由于缺乏遺傳學手段而導致將認識深入到分子水平的腳步受到了限制。雖然在日本和歐洲還有部分研究渦蟲的實驗室，但所做的工作還未能在分子水平上有質(zhì)的突破。

直到二十世紀末，Alejandro Sánchez Alvarado首先將RNA interference（RNAi）引入了渦蟲再生領(lǐng)域：在眾多的渦蟲物種中，他將精力投入了一種棲居于撒丁島的地中海渦蟲（S. mediterranea）——相對于其他種類的淡水渦蟲，地中海渦蟲最大的優(yōu)點便是穩(wěn)定具有四對同源染色體，這一遺傳特點將有利于研究者對其基因功能展開細致的研究。

圖2 地中海渦蟲 | 圖源：wikimedia,Alejandro Sánchez Alvarado 


在1999到2009年的十年中，Sánchez Alvarado 實驗室完成了對地中海渦蟲基因組的初步測繪與基因克隆，并且借助RNAi技術(shù)研究了一些演化上保守的基因在渦蟲發(fā)育再生過程中的功能。[7-11]

但直到郭龍華申請博士項目的2009年，渦蟲的遺傳學依然沒有人研究?？v觀整個北美大陸，在當時開展渦蟲研究的實驗室也僅有四個。

03
碩士期間，郭龍華在軍事醫(yī)學科學院賀福初老師的指導下，通過生化手段對肝臟再生過程中的蛋白組學變化進行研究，這段經(jīng)歷激發(fā)了他對于器官再生現(xiàn)象背后的復雜機制的好奇。在對再生領(lǐng)域進行了深度的文獻閱讀之后，他終于找到了自己的答案：在現(xiàn)有的再生研究系統(tǒng)中，從小鼠的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)再生到線蟲的運動神經(jīng)元軸突再生，再到斑馬魚的尾鰭再生，無一能與渦蟲那逆天改命的再生能力相提并論。而這些系統(tǒng)都有強大的遺傳操作能力——因此，在渦蟲系統(tǒng)中運用分子遺傳手段解析再生原理就是最吸引他的研究方向。

此前，還沒有任何實驗室建立起地中海渦蟲穩(wěn)定的有性繁殖系統(tǒng)。于是，當郭龍華在2009年秋天加入 Alejandro Sánchez Alvarado 實驗室時，他的第一項任務(wù)就是摸索如何能讓地中海渦蟲在實驗室中完成交配產(chǎn)生小渦蟲。

04
不同于哺乳動物，地中海渦蟲同時具有兩種性器官，屬于雌雄同體生物。因此盡管被人為切碎后，身體碎片依然能再生出完整渦蟲個體。但人們推測，自然環(huán)境下地中海渦蟲依然能夠通過減數(shù)分裂的形式產(chǎn)生精細胞和卵細胞，兩只渦蟲交配完成受精產(chǎn)生出后代，以此來提高種群的基因多樣性。

但在漫長的演化之路上，不知何時何故，一部分地中海渦蟲的1號染色體的一部分與3號染色體的一部分位置發(fā)生了交換（遺傳學上稱作染色體異位），使得這些地中海渦蟲失去了有性繁殖的能力，但卻能通過主動地將自己分成數(shù)份的方式，來實現(xiàn)對自身遺傳物質(zhì)的復制與傳遞。[12] 因為自身的再生能力，這些分裂產(chǎn)生的片段能夠再生成為新的個體，從而完成群體的繁衍。

圖3 地中海渦蟲（S. mediterranea）具有穩(wěn)定的核型。上方為有性繁殖品系的核型，下方為無性繁殖品系的核型?？梢钥闯鰺o性繁殖品系的1號與3號染色體之間發(fā)生了異位。


所以，地中海渦蟲其實有兩個品系。其一是無性繁殖的個體，其二是有性繁殖的個體。目前認為這兩者之間因為穩(wěn)定的染色體易位和突變，無法產(chǎn)生互換。

無論繁殖方式如何，兩類地中海渦蟲都具有超強的再生能力。

對于地中海渦蟲的演化來說，無性繁殖無疑削減了物種內(nèi)部基因交流的機會，在時間的長河里大概率是件禍事；但對于研究渦蟲再生原理的研究者來說，地中海渦蟲能進行無性繁殖卻是件幸事，因為這幫助渦蟲研究者們大幅簡化了培養(yǎng)渦蟲的流程，讓培養(yǎng)渦蟲變得像在培養(yǎng)皿中養(yǎng)一盤細菌一樣輕松便利。無性繁殖的地中海渦蟲也的確足以幫助研究者回答許多重要的科學問題，比如具有超強分化能力的Neoblast細胞究竟有何特殊之處、破壞特定基因的功能究竟如何改變渦蟲的再生能力等等。


* 編者注：
Neoblasts是渦蟲成體體內(nèi)唯一具有增殖和分化能力的多能干細胞的統(tǒng)稱，是其損傷修復和再生的細胞基礎(chǔ)。
但無性繁殖系統(tǒng)的內(nèi)在特性，卻也限制了分子遺傳學工具施展拳腳的空間。

比如說，果蠅研究者借助UAS-GAL4系統(tǒng)，可以輕松地通過交配特定基因型的果蠅，對某一特定類型的細胞進行標記和改造。而這在無性繁殖的體系中要想實現(xiàn)則非常困難。

在過往的十年中，Alejandro Sánchez Alvarado 實驗室曾經(jīng)有研究生嘗試走出舒適圈，但卻遺憾地發(fā)現(xiàn)不知什么緣故，養(yǎng)在實驗室的地中海渦蟲產(chǎn)卵率極低，最終遺憾止步。而在幾乎同樣的條件下，另一個渦蟲物種 Schmidtea polychroa 就能夠自發(fā)地產(chǎn)生大量的后代，但由于其孤雌生殖的特性和多倍體的核型而無緣分子遺傳學工具的開發(fā)。[13]

一旦能在有性生殖的地中海渦蟲中建立起高效的分子遺傳學工具，無疑將會開拓出一大片渦蟲生物學所能探索問題的新天地。

05
1999年8月末，Alejandro Sánchez Alvarado 收到了一個來自意大利薩薩里大學 Maria Pala 教授寄來的小盒子。盒子表面上還殘存著運輸過程留下的冰霜。打開盒子，清澈的水中游動著五十來只地中海渦蟲——Maria Pala 教授醉心于研究這一具有超強再生能力的神奇物種，在地中海各地采集渦蟲進行研究，此番應 Alejandro Sánchez Alvarado 的請求，慷慨地贈送了自己團隊在撒丁島野外辛苦采集所得的有性繁殖型野生地中海渦蟲。

Alejandro Sánchez Alvarado 的博后 Peter Reddien 將一只渦蟲反復切斷誘導再生，獲得了一群理論上基因信息完全相同的克隆渦蟲，命名為 “S2克隆系”。在 Peter Reddien 離開團隊到麻省理工學院自立門戶之后，實驗室的管理員便接手了這批蟲子。

渦蟲的生存能力極強，在水中餓上一個月雖然體型會顯著縮小，但只要恢復食物供應就能重新煥發(fā)活力。因此只要定期給渦蟲投喂一些食物，特定的克隆系就能順利保存下來。

因此，當郭龍華在2009年秋天開始嘗試對地中海渦蟲繁殖條件進行優(yōu)化時，不僅有實驗室前人分離出的 “S2克隆系” 可供使用，還有 Maria Pala 教授的小盒中那五十來只當年那批從撒丁島采集來的地中海渦蟲——渦蟲的壽命極長，所以它們在實驗室生活了十年后依然生龍活虎。

因此，郭龍華一邊嘗試誘導 “S2克隆系” 的渦蟲們進行繁殖，一邊從 Maria Pala 教授的小盒子中的其他渦蟲個體中分離新的渦蟲克隆系。

郭龍華首先探索了培養(yǎng)溫度、光照周期等環(huán)境因素對于渦蟲產(chǎn)卵率的影響，但令人失望的是，無論如何變化誘導條件，培養(yǎng)皿中已經(jīng)達到性成熟的渦蟲就是不進行交配（郭龍華為此還專門安放了攝像頭對渦蟲們的性生活進行了全天候的 “監(jiān)視”），自然也不會產(chǎn)生幼蟲。

渦蟲會不會存在能激發(fā)性欲的激素呢？通過基因序列比對，郭龍華發(fā)現(xiàn)，哺乳動物中由下丘腦產(chǎn)生的促性腺激素分泌激素（GnRH, gonadotropin-releasing hormone）在地中海渦蟲的基因組中也存在相似的同源基因。為此他分別克隆表達了在包括地中海渦蟲在內(nèi)的多種生物的GnRH激素，希望能激起手中這些渦蟲們的繁殖欲望。

但令他失望的是，無論是直接體內(nèi)注射，還是在渦蟲生長環(huán)境中添加GnRH激素，渦蟲們一個個依然心如鐵石、不為 “色” 動。

將近一年的時間過去了，到了2010年夏天，郭龍華依然在為地中海渦蟲們對于綿延子嗣的消極態(tài)度而操心。

06
中國有一句俗話：“飽暖思淫欲?！?/span>

郭龍華留意到，由于地中海渦蟲們實在過于 “耐餓”，因此以往的渦蟲研究者在飼料投喂方面并不太上心，至少實驗室管理員在維持那些長期儲存的渦蟲時基本是奉行了 “只要餓不死就行” 的喂食策略。

但歷來如此，就一定最合適嗎？

對渦蟲們的喂食頻率進行控制后，郭龍華發(fā)現(xiàn)，只要渦蟲們能每周穩(wěn)定地獲取一次食物補給，就立刻有了交配的興趣。

原來，相比于其他的環(huán)境因素，食物的供給才是影響地中海渦蟲繁殖效率最主要的因素。

于是地中海渦蟲在實驗室中的繁殖問題得到了解決，郭龍華很快就勾勒出了地中海渦蟲生活史的特征：大部分渦蟲會在交配約一周時間后產(chǎn)下數(shù)個卵囊（egg capsules），再經(jīng)過兩周之后每個卵囊中會孵化出一到十只幼蟲，在獲取穩(wěn)定食物的情況下，幼蟲經(jīng)過六周左右的時間會發(fā)育至性成熟階段。因此算下來一只渦蟲從產(chǎn)卵到發(fā)育成熟的生長周期只需要兩個月出頭的時間，這同小鼠和斑馬魚相似，但是便宜很多。

利用渦蟲驚人的再生特性，郭龍華可以將一只渦蟲攔腰截斷，然后讓兩段身體分別再生出的渦蟲交配繁殖出小渦蟲——如果地中海渦蟲有性繁殖的遺傳方式與哺乳動物相同，那么這只小渦蟲會隨機得到父母各自一半的遺傳物質(zhì)。這種實驗室中的雜交操作甚至已經(jīng)超出了 “近親繁殖”，因為小渦蟲的 “父母” 來源于同一條渦蟲，基因組成分在理論上是完全一致的。因此，即使最初的那只渦蟲兩個同源染色體上的基因序列存在差異（在遺傳學上稱作 “雜合” 現(xiàn)象），那么按照孟德爾遺傳定律，在經(jīng)過郭龍華多代雜交之后，子代渦蟲兩個同源染色體上大部分的基因序列應該完全相同（遺傳學上稱作 “純合子”）。

最終，郭龍華從一只 “S2克隆系” 出發(fā)，培育出了這只渦蟲的十代重孫，形成了 “十世同堂” 的奇觀譜系（圖4）。

圖4 郭龍華在 “S2克隆系” 中構(gòu)建出了壯觀的“十世同堂”遺傳譜系 | 圖源[14]


此時 Alejandro Sánchez Alvarado 應Stowers研究所的盛情邀約，已經(jīng)將實驗室搬到了堪薩斯州。

那么問題來了，如何通過實驗證據(jù)，來檢驗地中海渦蟲是否也同我們一樣遵守孟德爾遺傳定律呢？

07
當年，孟德爾之所以能通過豌豆雜交實驗發(fā)現(xiàn)遺傳定律，很大程度上要感謝他所使用的研究系統(tǒng)——豌豆。

孟德爾將豌豆的種皮顏色、種子的飽滿程度等這些可以直接人為觀測的現(xiàn)象稱作 “性狀”。今天我們知道，孟德爾的幸運之處在于，每一個他所觀察的性狀恰好都是由一對等位基因所決定的。因此通過統(tǒng)計特定性狀在子代豌豆中出現(xiàn)的比例，孟德爾得以推測出決定性狀的 “遺傳物質(zhì)” 從親代向子代傳遞的規(guī)律（孟德爾的年代還沒有 “基因” 這一概念）。倘若孟德爾選擇觀察的性狀由多組基因共同決定（比如人的身高），那恐怕他很難對實驗結(jié)果進行解釋。

得益于分子生物學技術(shù)的發(fā)展，郭龍華無須重走孟德爾的老路——從 “性狀” 上判斷遺傳信息傳遞的規(guī)律。在現(xiàn)代測序技術(shù)的幫助下，郭龍華能直接 “讀取” 基因組上的序列信息，找出同源染色體上存在差異的序列（即上文提到的 “雜合子”），然后觀察這些雜合子序列在親子代之間的遺傳特征。根據(jù)孟德爾遺傳定律的預測，如果這些雜合子序列編碼的蛋白不影響正常的受精和發(fā)育，那么應該可以觀察到：純合子和雜合子在子代個體中各有一半的概率出現(xiàn)。

那么該如何從渦蟲的基因組中 “找出” 這些雜合子序列呢？郭龍華將精力集中在了一類被稱作“單核苷酸多樣性”（single nucleotide polymorphisms, 下文簡稱 “SNP”）的特殊雜合子序列上——SNP是指一對同源染色體上在特定位置發(fā)生了堿基替換。值得注意的是，SNP所在的位置未必在基因內(nèi)部，即使是存在于某個基因中，也未必會對最終編碼出的蛋白的功能造成重要影響。但對于郭龍華探索地中海渦蟲遺傳特征的實驗目的而言，這些SNP在親子代間出現(xiàn)頻率的變化已經(jīng)足夠為他的科學問題提供答案。

郭龍華利用RNA深度測序的辦法來尋找渦蟲基因組中的SNP位點。RNA深度測序是首先提取出細胞的RNA，經(jīng)過逆轉(zhuǎn)錄獲得互補DNA后測得序列。

既然找到一部分SNP就足以對渦蟲的遺傳規(guī)律進行檢驗，因此郭龍華根據(jù)自己的實驗目的，選擇對 “十世同堂” 譜系中一只第六代渦蟲（記作F6）和它的十只子代們（計作F7）進行RNA深度測序。

請讀者朋友們想象，假若其中一組SNP在F6渦蟲中存在A和B兩種形態(tài)，如果渦蟲的遺傳遵從孟德爾定律，那么在眾多的F7渦蟲中，該SNP位點的基因型有25%的概率為A/A，50%的概率為A/B，25%的概率為B/B。但是這個概率的計算傳統(tǒng)上需要很大的樣本量（100-200以上）。

因為是在11只渦蟲中用三千個SNP檢驗孟德爾遺傳，按照傳統(tǒng)的卡方檢驗方法，11這個樣本量太小了，所以郭龍華利用的是更為可觀的SNP數(shù)量的優(yōu)勢。他檢驗了這三千個位點在11個渦蟲中基因型的分布。如果符合孟德爾遺傳規(guī)律，這些位點中雜合和純合狀態(tài)在11個個體中的比例的分布應該符合正態(tài)分布。

實際情況是，那些可以從F6雜合變成F7純合的位點確實符合預期。但是從F6雜合到F7雜合的位點所占比例過高了！完全違背了孟德爾遺傳的預期！三千位點中60%在全部11個個體中都是雜合。

接下來，郭龍華從三千多個候選SNP精心挑選了7個，在 “十世同堂” 譜系中運用傳統(tǒng)分子生物學的 “PCR+桑格測序” 方法進行驗證。

但在郭龍華所挑選的7處疑似存在SNP的位點之中，有4處符合孟德爾定律的預測，另外的3處卻有悖于孟德爾定律，在F7中全部表現(xiàn)為A/B的雜合體狀態(tài)，驗證了前期的分析。

這是怎么回事呢？

為了檢驗這一雜合體穩(wěn)定遺傳的現(xiàn)象是否是渦蟲基因組中的普遍現(xiàn)象，郭龍華不惜破費，對F0 、F 2、F6、F8四代渦蟲進行了DNA深度測序。結(jié)果令他大為震驚：經(jīng)過了8次雜交，竟有70%在F0中表現(xiàn)為雜合的SNP位點在F8中依然全部以雜合形式存在。并且這些SNP位點并非聚集于基因組的某一個特定區(qū)域，而是廣泛地分布于大約3億堿基對的基因組空間中（占到了渦蟲全基因組的37.5%）。

圖5 郭龍華發(fā)現(xiàn)70%的SNP位點存在穩(wěn)定雜合遺傳的現(xiàn)象 | 圖源[14]


難道說，他發(fā)現(xiàn)了一個孟德爾定律的例外現(xiàn)象？

08
這一雜合體穩(wěn)定遺傳的現(xiàn)象，會不會是由于在實驗室十幾年養(yǎng)殖而被人為引入的變異呢？

為了檢驗這一可能，Alejandro Sánchez Alvarado 和郭龍華兩人于2015年初來到 “S2克隆系” 的原產(chǎn)地撒丁島進行科考，探究生活在自然環(huán)境中的地中海渦蟲是否也存在雜合體穩(wěn)定遺傳的現(xiàn)象。

基于DNA深度測序的實驗結(jié)果，郭龍華將82個SNP序列刻入了一個DNA芯片，然后提取野生渦蟲的DNA，加入芯片中檢測其在相應位點SNP的基因型（雜合？純合？）。

郭龍華一行在撒丁島北部三處互相距離數(shù)十公里的區(qū)域，采集了幾十只野生地中海渦蟲，經(jīng)過DNA芯片檢驗后，他們驚喜地發(fā)現(xiàn)，有39處不符合孟德爾遺傳的SNP位點在全部的野生地中海渦蟲中都以雜合體的形式存在！

這究竟是單純巧合使然？還是背后有演化力量在推動？

郭龍華和 Alejandro Sánchez Alvarado 此時已經(jīng)意識到，他們在不經(jīng)意間可能已經(jīng)從分子遺傳學踏入了演化生物學的世界，有機會為一個著名的演化理論提供最新的闡釋！

09
基因的多樣性對于維持物種生存至關(guān)重要，而有性繁殖方式的產(chǎn)生大幅提升了物種內(nèi)部基因交流的機會，使得整個物種能更好地應對環(huán)境變化所帶來的挑戰(zhàn)。

但倘若一個物種在物理上被分隔在了一個很小的區(qū)域，近親繁殖就變得不可避免。一種演化生物學觀點認為，長期近親繁殖的物種最終必將走向滅絕。對于渦蟲而言，強大的自我再生能力和較弱的長途遷徙能力，使得近親繁殖的頻繁發(fā)生在其演化道路上似乎不可避免。

那為什么經(jīng)過數(shù)億年時間的洗禮，地中海渦蟲依然在撒丁島上生生不息地繁衍著。這背后，是否蘊藏著某種能夠抵抗近親繁殖劣勢的神秘力量？

也許，答案就隱藏在地中海渦蟲基因組中那些 “頑固” 綿延的雜合體之中。


 一個初步模型的提出 

（2013.1-2016.7）

01
2013年初，郭龍華已經(jīng)通過對四代 “S2克隆系” 渦蟲的DNA深度測序，發(fā)現(xiàn)有多達70%的SNP位點會穩(wěn)定地以雜合體的形式進行遺傳。

這一發(fā)現(xiàn)很自然地引出了兩個新的問題：首先，這70%雜合遺傳的SNP在染色體上是均勻分布的嗎？盡管DNA深度測序結(jié)果已經(jīng)表明，這些SNP覆蓋渦蟲37.5%的基因組區(qū)域，但此時渦蟲基因組的數(shù)據(jù)仍然是一個個零散的 “片段”，尚未經(jīng)過系統(tǒng)的組裝。換句話說，當時人們對于渦蟲基因組的理解還停留在 “單絲不成線” 的階段，因此郭龍華所發(fā)現(xiàn)的雜合遺傳位點在染色體上的定位依然不得而知；其次，究竟是什么生物學機制導致了渦蟲中如此大范圍的雜合遺傳現(xiàn)象？在細胞水平上，這些位點的雜合偏好是發(fā)生在受精過程之前，還是受精之后的胚胎發(fā)育過程？回答這些問題無疑會增進我們對于生物發(fā)育機制的理解。

對于第一個問題，即使花費了很多精力，但直到2016年初郭龍華也沒能得到一個滿意的答案。

02
對于第二個問題，郭龍華從2013年開始對一系列假說進行了檢驗。

該如何解釋穩(wěn)定遺傳的雜合現(xiàn)象呢？也許聰明的讀者首先猜到的一種可能機制是：之所以在發(fā)育完全的子代渦蟲中只能觀察到雜合體，是因為基因型為純合的受精卵存在發(fā)育缺陷，在胚胎期就提前夭折了。檢驗這一可能的方法也很直接，郭龍華在渦蟲交配產(chǎn)下卵囊后解剖卵囊，通過組織染色的方式，分析在不同天數(shù)中發(fā)育速度停滯的晚期胚胎數(shù)量。

統(tǒng)計的結(jié)果表明，胚胎發(fā)育停滯的數(shù)量要遠低于正常孵化出的幼蟲數(shù)量，這提示：在胚胎發(fā)育晚期就已經(jīng)是以雜合形式存在的了。

另一種可能性是：包含雜合遺傳區(qū)域的基因片段，在地中海渦蟲的基因組中發(fā)生了 “基因復制” 變異（gene duplication）。具體來說，就是在一個同源染色體上同時包含 “A” 和 “B” 兩份拷貝，兩個同源染色體實際上已經(jīng)在雜交過程中實現(xiàn)了純合，渦蟲實際的基因型是 “AABB/AABB”，因此被深度測序 “誤認為” 是雜合體。

要想檢驗這一可能性，需要對渦蟲的精細胞和卵細胞分別進行測序。如果在單倍體的精細胞和卵細胞中也能檢測出雜合體的存在，那就說明郭龍華所觀察到的雜合遺傳僅僅是基因復制變異所帶來的一種假象。

在2016年年初，郭龍華終于收獲了對 “S2克隆系” 11個精細胞和15個卵細胞單細胞測序的實驗結(jié)果。

很明顯，之前郭龍華所觀察到的雜合遺傳現(xiàn)象并非來自 “基因復制”：所有測得的生殖細胞在每一處雜合遺傳的位點都只包含一種SNP。

更為有趣的是，郭龍華發(fā)現(xiàn)這些SNP位點彼此之間還存在著“高度綁定”的奇妙現(xiàn)象：如果一處雜合遺傳位點的SNP確定了，在其他幾百個位點的SNP也可隨之確定。它們就像是一組訓練精良的部隊，一人向前（某個位點的SNP類型定下來），其他的幾百人也一定“同進同退”，選擇相應的SNP類型，絕不會作 “叛徒”。用遺傳學的術(shù)語來說，這幾百個雜合遺傳位點“高度連鎖”，屬于一個 “單體型”（haplotype）。

于是，郭龍華與 Alejandro Sánchez Alvarado 基于生殖細胞測序的結(jié)果提出了一種解釋雜合遺傳現(xiàn)象的假說：他們將這些雜合遺傳的位點根據(jù)SNP分別定義為 “J型” 和 “V型”。在交配過后，只有單體型不同的精卵細胞之間才能正常地完成受精過程，形成 “J/V” 的受精卵。

隨后，郭龍華發(fā)現(xiàn)自己從實驗室的 “祖?zhèn)餍『凶印?中分離出的眾多渦蟲克隆系中，可以進行雜交的品系基因型全部為 “J/V”。而其中一個名為 “D5” 的克隆系內(nèi)部雖然踴躍交配，產(chǎn)下比其他克隆系更多的卵囊，但這些卵囊中卻孵化不出一只子代渦蟲。而如果將 “D5” 克隆系與S2克隆系的渦蟲進行交配，卻能產(chǎn)生正常數(shù)量的子代渦蟲。這一現(xiàn)象曾令郭龍華感到十分困惑——隨著 “J/V” 單體型模型的提出，郭龍華發(fā)現(xiàn)，D5克隆系中這些雜合遺傳位點原來高度純合，具有 “J/J” 的基因型，這為郭龍華解釋雜合遺傳的模型更增添了一分證據(jù)。

2016年夏天，郭龍華博士畢業(yè)。2016年12月5日，他關(guān)于地中海渦蟲雜合遺傳的研究發(fā)表于《自然-演化與生態(tài)》。[14]


 關(guān)于性染色體形成的猜想 

（2017.6-2022.6）
01
基于博士的研究結(jié)果，郭龍華非常好奇自己在地中海渦蟲J/V單體型中所發(fā)現(xiàn)的眾多SNP位點是否具有特定的生物學意義。2017年6月，郭龍華成為了加州大學洛杉磯分校人類遺傳學系的一員（博后）。也就是在這時候，他準備繼續(xù)完成博士期間的未竟事業(yè)。

吸取了當年探究雜合遺傳位點的失敗經(jīng)驗，郭龍華這次決定選取兩種新的方案雙管齊下。

方案一是在將地中海渦蟲尾部的Neoblast進行細胞周期同步化后，直接在顯微鏡下根據(jù)形態(tài)的不同將四對同源染色體分別解剖出來，然后逐一進行測序。這種方法的優(yōu)越之處在于，由于是從物理上將不同的染色體進行分離，因此完全不用擔心發(fā)生把基因序列組裝到錯誤染色體上的問題。

方案二則是借助Hi-C技術(shù)在提取DNA以前加入交聯(lián)劑，在物理上距離較近的基因序列之間建立起共價鍵連接后再進行深度測序，因此能夠從最終的測序結(jié)果中還原出不同基因片段在染色體上的相對位置。

2019年，方案一率先撞線。在看到實驗結(jié)果的一剎那，郭龍華立刻恍然大悟：將近九成（87.7%）的雜合遺傳SNP位點都集中在1號染色體上！當初模型中提出的 “J/V” 單體型實際上正是對應于1號染色體上的兩個同源染色體——準確來講，盡管形態(tài)上十分接近，但地中海渦蟲的1號染色體其實已經(jīng)初步具備了性染色體的雛形。

緊接著郭龍華就發(fā)現(xiàn)，在渦蟲的1號染色體上，的確富集了許多已知與性腺發(fā)育相關(guān)的基因，這進一步印證了他的猜想。

同時，他通過RADseq技術(shù)測量了不同染色體上交換（互換）突變發(fā)生的頻率，發(fā)現(xiàn)唯獨1號染色體對于同源重組的發(fā)生有高度的抑制效果。

2020年11月，Hi-C實驗結(jié)果正式出爐，郭龍華在兩個星期內(nèi)完成了數(shù)據(jù)的分析，第一次將481個基因組板塊組裝成了4個染色體！并且再次印證了染色體測序的實驗結(jié)果！

2021年9月，郭龍華將這一發(fā)現(xiàn)投稿到《自然》雜志，經(jīng)過幾個月的修改，于2022年4月被正式接收。

02
作為人類，我們擁有X和Y兩種性染色體。我們知道男孩是XY染色體組合，女孩是XX染色體組合?？墒沁@兩種性染色體為什么在尺寸、形態(tài)上差異如此之大？它們是如何產(chǎn)生的？雖有假說若干，但都難以直接驗證。目前我們觀測到的多數(shù)物種中的性染色體都已經(jīng)完成了分化的過程，在基因的成分和染色體的結(jié)構(gòu)上都已經(jīng)產(chǎn)生了巨大的變化。人類對染色體研究的區(qū)區(qū)百年又如何和進化史的萬年、甚至億年相提并論？

地中海渦蟲雌雄同體和尚未完全分化的染色體的特性，為這一難題提供了特有的機遇。我們不能穿越萬年，但是萬年來的演化結(jié)果卻都在我們生存的自然界里，和我們處于同一時刻。

地中海渦蟲1號染色體上富集了眾多與性腺發(fā)育相關(guān)的基因，表現(xiàn)出單體型表達的特征，無法進行同源重組，并且在雌雄發(fā)育的調(diào)控上表現(xiàn)出了功能的差異性。這或許就是大自然在性染色體恢弘壯麗的演化旅程過程中為我們留下的一份珍貴的琥珀資料。透過有性渦蟲，我們得以一窺性染色體演化的最早期的秘密。

如今，郭龍華已經(jīng)開啟了科學生涯的新階段：即將在這個夏天建立自己的獨立實驗室，繼續(xù)探索渦蟲留給我們的眾多謎題。他也終于可以回到本心之初，去詢問渦蟲衰老和再生的問題（https://guolabagingreg.com/）。這些基本的科學問題，可以幫助我們了解所有的物種，包括人類自己。

或許，我們對于人類自身的好奇和治療疾病的努力，在此刻的自然界中都有其答案。


Nature論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04757-3

 參考文獻：
（上下滑動可瀏覽）

1. Pallas, P. S. Miscellanea zoologica: quibus novae imprimis atque obscurae animalium species describuntur et observationibus iconibusque illustrantur.  (apud Sam. et Joan. Luchtmans, 1778).

2. Randolph, H. Observations and experiments on regeneration in planarians.  (1897).

3. Morgan, T. H. Experimental studies of the regeneration of Planaria maculata. Vol. 2 (W. Engelmann, 1898).

4. Morgan, T. Growth and Regeneration in Planaria lugubris. Arch. f. Entw. Mech. Bd 13 (1902).

5. Morgan, T. Polarity and axial heteromorphosis. Am Nat 38, 502-505 (1904).

6. Morgan, T. H. The control of heteromorphosis in Planaria maculata. Archiv für Entwicklungsmechanik der Organismen 17, 683-695 (1904).

7. Robb, S. M., Ross, E. & Alvarado, A. S. SmedGD: the Schmidtea mediterranea genome database. Nucleic acids research 36, D599-D606 (2007).

8. Alvarado, A. S., Newmark, P. A., Robb, S. M. & Juste, R. The Schmidtea mediterranea database as a molecular resource for studying platyhelminthes, stem cells and regeneration.  (2002).

9. Alvarado, A. S. & Newmark, P. A. Double-stranded RNA specifically disrupts gene expression during planarian regeneration. Proceedings of the national academy of sciences 96, 5049-5054 (1999).

10. Reddien, P. W., Oviedo, N. J., Jennings, J. R., Jenkin, J. C. & Sánchez Alvarado, A. SMEDWI-2 is a PIWI-like protein that regulates planarian stem cells. Science 310, 1327-1330, doi:10.1126/science.1116110 (2005).

11. Gurley, K. A., Rink, J. C. & Sánchez Alvarado, A. Beta-catenin defines head versus tail identity during planarian regeneration and homeostasis. Science 319, 323-327, doi:10.1126/science.1150029 (2008).

12. Newmark, P. A. & Sánchez Alvarado, A. Not your father's planarian: a classic model enters the era of functional genomics. Nat Rev Genet 3, 210-219, doi:10.1038/nrg759 (2002).

13. Cardona, A., Hartenstein, V. & Romero, R. The embryonic development of the triclad Schmidtea polychroa. Dev Genes Evol 215, 109-131, doi:10.1007/s00427-004-0455-8 (2005).

14. Guo, L., Zhang, S., Rubinstein, B., Ross, E. & Alvarado, A. S. Widespread maintenance of genome heterozygosity in Schmidtea mediterranea. Nature ecology & evolution 1, 1-10 (2016).


制版編輯 | 姜絲鴨


參與討論
0 條評論
評論
暫無評論內(nèi)容