科学家制备出非孟德尔遗传线虫

　　2016年09月10日讯 一个改变了的有丝分裂纺锤体，可防止母本和父本DNA的混合，从而产生了一个单亲的后代。那么它可能对印迹和表观遗传学研究有何影响呢？

　　性可能是神秘的，但从遗传学上来说，接下来会发生什么并不神秘。精子遇到卵子，遗传混合随之而来，然后，承载着母亲和父亲混合遗传属性的下一代就出生了。

　　这个过程被称为孟德尔遗传，自古以来，正是通过这种方式，有性生殖的生物--从人类、果蝇到恐龙得以繁衍生息。但事实证明，他们不一定要这样。延伸阅读：挑战孟德尔和达尔文定律的基因；自私基因打破百年孟德尔分离定律；Science：当CRISPR技术遇上孟德尔遗传定律。

　　在《Nature Biotechnology》发表的一项研究中，马克斯普朗克生物物理化学研究所的Judith Besseling和Henrik Bringmann，在秀丽隐杆线虫中描述了一种所谓的“非孟德尔遗传”的策略。修补有丝分裂纺锤体，可破坏在第一个胚胎细胞分裂前发生的母系和父系遗传物质融合。因此，通过这个过程所产生的细胞代表父母其中一方，而不是两方。

　　瑞士洛桑大学的博士后研究员Alexandra Bezler也研究非孟德尔遗传，她说：“这项研究是开创性的。以前没有人这样做过。”

　　据Bringmann介绍，该方法具有广泛的应用范围，从育种学和表观遗传学，到合成生物学。“这是一个很好的概念验证，表明通过改变细胞的生物学结构，我们可以制备具有新性能的细胞--并最终制备出动物。”

　　孟德尔遗传并非Bringmann的研究重点。他的实验室主要集中于睡眠的调节和功能，但在遗传学和细胞生物学的背景下，他还研究有丝分裂纺锤体。

　　在2011年，Bringmann的研究团队描述了一种方法，通过调整密码子的使用，来调节线虫外源蛋白的表达。基本上，通过细胞的tRNA丰度来指导一个转基因中密码子的使用，该团队发现，他们可以促进或抑制线虫体内的蛋白表达。他们用来测试这种方法的其中一个蛋白是GPR-1--有丝分裂纺锤体的一个组成部分。

　　在细胞分裂中期，有丝分裂纺锤体由微管和分子马达构建而成，定位在分裂细胞中心的姐妹染色单体，然后在后期把单个染色体分开，从而确保两个子细胞能接收全部的遗传物质。

　　GPR-1是这一过程的一个临界力调节器。GPR-1缺失可削弱纺锤体拉力；蛋白质的过度表达可能分解结构，从而产生的不是一个双记纺锤体，而是两个单极纺锤体。Bringmann想知道，在胚胎发育的第一次细胞分裂过程中发生了什么。

　　为了弄清这一点，他和Besseling使用密码子适应性来增加GPR-1在秀丽隐杆线虫生殖细胞中的特异表达。然后他们让一个精子和一个卵子受精，并通过时间推移显微镜观察发生了什么事。据预测，两个原核--每一个都包含一个亲本的遗传物质，被猛拉分离成两个子细胞，才可以融合。因此，从这些胚胎生长起来的线虫，含有来自父亲或母亲的遗传物质，而不是两者兼有。

　　Bringmann说：“这是一件很酷的事情，并且它是可行的。每当你将这些有丝分裂纺锤体混在一起时，通常会有一种致命的杀伤力。但在这种情况下，遗传物质的分离是如此的干净，因此能使胚胎存活下来。”

　　为了生动地证明这一点，Besseling和Bringmann用绿色荧光蛋白（GFP）标记GPR-1过表达的雌雄同体，用红色荧光蛋白tdTomato标记正常雄性个体。在正常的孟德尔遗传中，产生的后代是由完全表达两个蛋白（在双色覆盖中它们显示黄色）的细胞构成的。但是当GPR-1过表达时，动物包含的细胞是单色的。

　　在模式生物中，线虫是独一无二的，因为它有一个定义的和不变的细胞谱系。研究人员已经精确地查明在成虫中哪一个细胞是由哪一个祖细胞产生的，并且他们可以将这些谱系一直追溯到两细胞阶段。当一个线虫受精卵分裂时，它产生了两个细胞，AB和P1。前者产生特定的体细胞组织，包括神经系统；后者产生其余的体细胞组织，以及生殖细胞系。通常情况下，这并不重要，因为每一个细胞都是相同的。但是使用Bringmann的技术，如果AB细胞是父系来源，结果将是，这条线虫具有一个父系的神经系统和母系的配子；如果AB细胞是母系来源（如最常见的情况），则情况可能是相反的。

　　Bringmann说：“最终，这是克隆动物的一种新方法。”

　　该小组报道了28%的相对高的致死率，在一些组合中是63%，可能源于一个事实：雄性线虫没有Y染色体--它们是“XO”。作为父系来源的配子没有X染色体，具有父本配子的非孟德尔线虫，在与雄性交配时有50 / 50的机会产生一个完全不包含X染色体的胚胎。这些细胞显然是不能存活的。”

　　这种方法有几个令人兴奋的应用，特别是遗传学和表观遗传学。例如，它使科学家能够制备嵌合体动物，在这种动物中，相同生物体中的不同组织，是由具有不同表型的父母本产生的。Bringmann说：“在这里，整个基因组，而不是个体突变，是优势所在。”

　　非孟德尔动物也应该能够为研究遗传印记提供一个平台，某些基因的差异表达取决于它们是母系来源还是父系来源。它们可以被用来研究环境因素对动物后代的影响，一个叫隔代遗传的现象。

　　据Bringmann介绍，非孟德尔遗传策略应该也适用于其他高等真核生物，包括小鼠，因为GPR-1是高度保守的。事实上，在哺乳动物组织培养物中的初步实验显示，GPR-1过度表达可导致相似的增力，虽然尚未在受精卵中尝试过。

　　然而，Bezler认为，当研究人员沿着进化阶梯向上爬时，该方法可能不那么有用，因为其他生物并不与线虫共有严格定义的细胞谱系。虽然单个细胞确实是母系或父亲的起源，但整个组织可能会不是。她说：“这将是随机的，在每一种动物中它将是随机的。”这可能会使大规模的分析变得复杂化。

　　但至少在秀丽隐杆线虫中，Bezler看到了相当大的希望。她说：“我们订购了菌株。我们会用它做一些事情。”