細胞學：如何用酵母細胞檢測遺傳感染！

DIC顯微術中的釀酒酵母細胞。圖片來源：維基百科。

研究酵母細胞的ETH研究人員發現了一種從病原體或環境污染中檢測外來遺傳物質并使其無害的新機制。

在其悠久的歷史過程中，細菌已經形成了一種有效的免疫系統，可以檢測和抵御來自病毒或競爭細菌的入侵遺傳物質。在單細胞生物體中這種“先天”免疫防御的一個要素是CRISPR-Cas系統，其存儲來自入侵者的遺傳物質以識別病原體并在后續感染的情況下對抗它們。

相反，尚不清楚真核生物（“更高”的生命形式）是否具有在細胞水平上作為有效的自主免疫防御系統的可比機制。研究人員認為，簡單的真核細胞可能具有這種機制，但他們不知道哪些機制;到目前為止，這還沒有成為更深入研究的主題。

不尋常的防御機制

現在由蘇黎世聯邦理工學院生物化學教授Yves Barral領導的一個研究小組已經找到了他們在酵母細胞中尋找的東西。他們發現，這些單細胞真菌具有前所未有的防御機制，位于細胞內的一個令人驚訝的位置：染色體的著絲粒。科學家們在最新一期的Cell雜志上發表了他們的發現。

著絲粒是染色體的兩半（稱為染色單體）連接的地方。它也是一個叫做動粒的蛋白質復合物組裝的地方。在細胞分裂過程中，所謂的紡錘體纖維附著在動粒上以分離姐妹染色單體，將它們拉開，在母細胞中留下一個染色單體并將另一個染色單體推進子細胞。這確保了遺傳物質在母細胞和子代細胞之間均勻分布。

外來DNA不會濃縮

Barral和他的同事們現已證明著絲粒在染色體凝聚中起著關鍵作用。它決定了染色體凝聚的時間和方式，特別是在其附近。著絲粒還發出分子信號以優化其遠端的染色體壓實。

相反，外來遺傳物質 - 例如不時進入細胞的病毒樣DNA或DNA圈，或沒有著絲粒的染色體 - 不能濃縮。結果，沒有動粒可以組裝，因此主軸纖維沒有附著部位。

在細胞分裂過程中，非凝聚的遺傳物質被識別并主動保留在兩個未來的子細胞之一中，研究人員將其稱為母細胞。以這種方式，外來DNA被限制在母細胞內，而子細胞僅含有特征性DNA，即所有染色單體的一半。

在母細胞中和與母細胞一起擺脫DNA。

這種不對稱分裂看到母細胞收集對生物體毫無價值的DNA，導致它老化并更快死亡。這就是酵母 細胞如何確保潛在有害的遺傳物質不會在人群中徘徊。該子細胞可以一次又一次地劃分，建立一個包含唯一可靠的DNA人口。

近年來，研究已經令人驚訝地發現著絲粒在不同物種之間差異很大。“人們會期望這樣一個中心和重要的結構在進化過程中幾乎沒有變化，因此在物種間非常相似，”巴拉爾說。

ETH研究小組現在已經為此提供了一個可能的解釋：“著絲粒的這種快速進化速度可能是由宿主和病原體之間的軍備競賽驅動的，”他解釋說。病原體很快就會學會如何規避著絲粒對染色體凝聚的控制。這可能增加宿主生物體的壓力，以不斷改變著絲粒，以防止外來遺傳物質的傳遞。

“我們發現著絲粒是細胞對外來DNA的自主防御的一部分，這可以解釋為什么染色體的這一部分在不同物種之間差異很大，”巴拉爾說。

著絲粒是否促進了新物種的出現？

這些發現也可能對新物種的出現產生影響。例如，如果人口被地理障礙劃分，則人口的兩半中的每一半都可能暴露于不同的病原體。結果，著絲粒在兩組中的演變會有所不同。

如果來自這兩個群體的人在以后的某個時間會面，可能是由于著絲粒不再兼容而阻止了生育。“這僅僅是猜測，但我們可以想象這兩個人群不再將彼此視為一個相同的物種。因此這種機制可能在物種形成中發揮重要作用，”巴拉爾懷疑。

在酵母中尋找病毒

他和他的工作組目前正在研究裂解酵母，這是面包酵母的遠親。裂殖酵母染色體與動物相似。研究人員希望了解他們是否也在細胞水平上具有防御機制。Barral也在尋找攻擊真菌的病毒。“在文獻中沒有任何東西可以找到，”他說，“但由于酵母菌是真菌，具有我們現在所描述的免疫機制，我假設病毒也攻擊真菌并用它們的DNA滲透它們。”他說他們發現這種病毒只是時間問題。

Barral和他的同事們在這項研究中工作了四年。十年前，酵母具有防御機制的想法首先出現在他們身上，而他們正在研究這些微生物的衰老過程。“老化和防御病原體之間顯然存在聯系，”巴拉爾說。它們的DNA在衰老的母細胞中被處理成多余的蛋白質。“這項新工作表明，近年來我們努力解決的難題的各個部分確實很合適。”