新传媒网图宾根马克斯·普朗克生物研究所的研究人员开辟了新天地，证明褐藻中的HMG-box基因对于决定雄性性别至关重要。这一突破极大地扩展了我们对真核生物性别决定机制的理解。到目前为止，仅在少数脊椎动物和植物中发现了主要的性别决定基因。
这项研究发表在《科学》杂志上，阐明了动物和海藻之间发育途径的进化相似性，尽管它们已经独立进化了数百万年。它强调了跨谱系共享遗传工具包的使用，并探索了遥远的进化趋同。
褐藻中神秘的U/V性染色体系统
虽然大多数有性生殖生物通常明显是雄性或雌性，但性别决定背后的基因调控在不同物种之间存在很大差异。这种多样性延伸到了看似简单的褐藻，它们具有有趣的性别决定机制。
褐藻是海洋、多细胞、光合真核生物。这些生物体独立于植物和动物进化出了几个关键的生物特征，例如多细胞性、复杂的生命周期和性染色体。鉴于这些独特的特征，褐藻可以作为研究繁殖进化方面的优秀模式生物。
真核生物涵盖从单细胞到复杂的多细胞形式的一系列生物体，并且它们表现出不同的性染色体。
哺乳动物有XX/XY系统，雄性有X和Y染色体。同样，在鸟类、鱼类和一些昆虫中观察到的ZZ/ZW系统中，雄性通常都具有两条ZZ染色体。XX/XY和ZZ/ZW系统的出现是因为动物在胚胎发育过程中拥有两个基因组拷贝，每个拷贝来自父母。
这些系统包含触发男性或女性分化的特定因素，已知的主要性别决定因素分别在Y和W染色体上确定。相比之下，紫外/紫外系统的研究仍然较少，仅在藻类、苔藓和地衣中发现了一种性别决定因素。然而，真菌并不依赖特殊的性染色体。它们利用交配型基因来决定自己的性别以及可以与谁繁殖。
褐藻的一个显着特征是它们采用U/V性染色体系统。褐藻在单倍体阶段(即只有一份基因组拷贝)决定性别，这与携带两套完整染色体的二倍体动物不同。褐藻只携带雄性V染色体或雌性U染色体，决定它们的性别。
十多年前，在SusanaCoelho博士的领导下，研究人员在褐藻的雄性V染色体上发现了一个性别特异性区域，该区域包含一个编码HMG-box蛋白的基因，后来他们将其命名为MIN(雄性的意思)。诱导器)。
HMG-box是一种DNA结合结构域，普遍存在于真核生物的染色质相关蛋白和转录因子中，包括人类中发现的性别决定因子SRY和真菌中的交配型决定因子。当时，可用的工具和方法无法证明MIN是否触发了这些生物体的雄性发育途径。
图片来源：马克斯·普朗克学会
CRISPR/Cas基因操作的见解
“在自然栖息地，褐藻配子会进行令人着迷的交配舞蹈，”藻类培养专家、图宾根马克斯·普朗克生物研究所藻类培养设施负责人雷米·路特林格(RémyLuthringer)博士解释道。
“雌性配子快速固定在基质上，并在海水中释放信息素(如化学信号)来吸引雄性。雄性配子被雌性的‘香水’吸引，利用两根鞭毛主动游动，在雌性周围逐渐靠近。”
随着通常被称为“基因剪刀”的CRISPR/Cas技术的出现，研究人员可以精确定位和编辑这些褐藻的遗传物质。他们使用该工具通过生成功能丧失的突变体来测试MIN的生物学功能。结果很明确：“CRISPR突变株系中不存在复杂的雄性配子交配舞蹈。这意味着在缺少MIN的情况下，配子对雌性信息素变得完全不敏感。”
藻类发育和进化部主任科埃略博士指出：“当我们敲除褐藻中的性别决定基因MIN时，我们没有观察到性别逆转。相反，雄性变得无性。这是因为“它们缺少互补染色体，即女性U染色体。这表明U染色体上的女性诱导因子尚未被发现。”通过这些基因实验，研究人员揭示了褐藻中控制雄性性别决定的复杂机制。
Coelho博士表示：“将HMG结构域基因确定为褐藻的主要性别因子表明，动物和海藻在决定雄性性别方面独立地趋同于相同的解决方案。”
共享遗传工具包带来性别决定的进化
深入研究进化时间线，藻类和动物之间的最后一个共同祖先是单细胞的，并且缺乏这两组生物所特有的性染色体。蛋白质生物信息学项目负责人VikramAlva博士澄清说：“HMG-box结构域的起源可以追溯到最后的真核生物共同祖先，而MIN则在褐藻的共同祖先中进化得较晚。”
褐藻、真菌和哺乳动物中的性别决定因子共享同源的HMG-box结构域，表明它们源自共同的祖先遗传学。Alva博士强调，“虽然MIN和SRY是同源的，但它们不是直系同源的;它们是在谱系分化成不同生物体之前衍生的。它们的功能相似性是趋同进化的一个例子，即HMG-box结构域在生物体中适应了类似的角色尽管它们是独立进化的。”
简而言之，就好像同一个盒子里的乐高积木被用来构建不同的基因。乐高积木具有相似的功能和共同的血统，但结果却不同。“在这种情况下，动物和褐藻独立地使用相似的构建模块来达到相同的结果，即雄性性别决定，”科埃略博士团队的洪堡研究员JosuéBarrera-Redondo博士澄清道。
这些研究人员未来的努力将包括确定褐藻中控制雌性性别决定的主基因，并了解它们缺乏U染色体时的无性表型。
精确定位这个关键的MIN基因使研究人员能够超越传统的动植物模型，更深入地研究生命树中塑造性别决定机制的进化动力学。该研究方向有可能为褐藻性别决定的遗传机制提供更全面的了解，有助于我们更广泛地了解进化生物学和发育调控。
