细胞学：如何用酵母细胞检测遗传感染！

DIC显微术中的酿酒酵母细胞。图片来源：维基百科。

研究酵母细胞的ETH研究人员发现了一种从病原体或环境污染中检测外来遗传物质并使其无害的新机制。

在其悠久的历史过程中，细菌已经形成了一种有效的免疫系统，可以检测和抵御来自病毒或竞争细菌的入侵遗传物质。在单细胞生物体中这种“先天”免疫防御的一个要素是CRISPR-Cas系统，其存储来自入侵者的遗传物质以识别病原体并在后续感染的情况下对抗它们。

相反，尚不清楚真核生物（“更高”的生命形式）是否具有在细胞水平上作为有效的自主免疫防御系统的可比机制。研究人员认为，简单的真核细胞可能具有这种机制，但他们不知道哪些机制;到目前为止，这还没有成为更深入研究的主题。

不寻常的防御机制

现在由苏黎世联邦理工学院生物化学教授Yves Barral领导的一个研究小组已经找到了他们在酵母细胞中寻找的东西。他们发现，这些单细胞真菌具有前所未有的防御机制，位于细胞内的一个令人惊讶的位置：染色体的着丝粒。科学家们在最新一期的Cell杂志上发表了他们的发现。

着丝粒是染色体的两半（称为染色单体）连接的地方。它也是一个叫做动粒的蛋白质复合物组装的地方。在细胞分裂过程中，所谓的纺锤体纤维附着在动粒上以分离姐妹染色单体，将它们拉开，在母细胞中留下一个染色单体并将另一个染色单体推进子细胞。这确保了遗传物质在母细胞和子代细胞之间均匀分布。

外来DNA不会浓缩

Barral和他的同事们现已证明着丝粒在染色体凝聚中起着关键作用。它决定了染色体凝聚的时间和方式，特别是在其附近。着丝粒还发出分子信号以优化其远端的染色体压实。

相反，外来遗传物质 - 例如不时进入细胞的病毒样DNA或DNA圈，或没有着丝粒的染色体 - 不能浓缩。结果，没有动粒可以组装，因此主轴纤维没有附着部位。

在细胞分裂过程中，非凝聚的遗传物质被识别并主动保留在两个未来的子细胞之一中，研究人员将其称为母细胞。以这种方式，外来DNA被限制在母细胞内，而子细胞仅含有特征性DNA，即所有染色单体的一半。

在母细胞中和与母细胞一起摆脱DNA。

这种不对称分裂看到母细胞收集对生物体毫无价值的DNA，导致它老化并更快死亡。这就是酵母 细胞如何确保潜在有害的遗传物质不会在人群中徘徊。该子细胞可以一次又一次地划分，建立一个包含唯一可靠的DNA人口。

近年来，研究已经令人惊讶地发现着丝粒在不同物种之间差异很大。“人们会期望这样一个中心和重要的结构在进化过程中几乎没有变化，因此在物种间非常相似，”巴拉尔说。

ETH研究小组现在已经为此提供了一个可能的解释：“着丝粒的这种快速进化速度可能是由宿主和病原体之间的军备竞赛驱动的，”他解释说。病原体很快就会学会如何规避着丝粒对染色体凝聚的控制。这可能增加宿主生物体的压力，以不断改变着丝粒，以防止外来遗传物质的传递。

“我们发现着丝粒是细胞对外来DNA的自主防御的一部分，这可以解释为什么染色体的这一部分在不同物种之间差异很大，”巴拉尔说。

着丝粒是否促进了新物种的出现？

这些发现也可能对新物种的出现产生影响。例如，如果人口被地理障碍划分，则人口的两半中的每一半都可能暴露于不同的病原体。结果，着丝粒在两组中的演变会有所不同。

如果来自这两个群体的人在以后的某个时间会面，可能是由于着丝粒不再兼容而阻止了生育。“这仅仅是猜测，但我们可以想象这两个人群不再将彼此视为一个相同的物种。因此这种机制可能在物种形成中发挥重要作用，”巴拉尔怀疑。

在酵母中寻找病毒

他和他的工作组目前正在研究裂解酵母，这是面包酵母的远亲。裂殖酵母染色体与动物相似。研究人员希望了解他们是否也在细胞水平上具有防御机制。Barral也在寻找攻击真菌的病毒。“在文献中没有任何东西可以找到，”他说，“但由于酵母菌是真菌，具有我们现在所描述的免疫机制，我假设病毒也攻击真菌并用它们的DNA渗透它们。”他说他们发现这种病毒只是时间问题。

Barral和他的同事们在这项研究中工作了四年。十年前，酵母具有防御机制的想法首先出现在他们身上，而他们正在研究这些微生物的衰老过程。“老化和防御病原体之间显然存在联系，”巴拉尔说。它们的DNA在衰老的母细胞中被处理成多余的蛋白质。“这项新工作表明，近年来我们努力解决的难题的各个部分确实很合适。”