北生所杜立林團隊在裂殖酵母中發現違反孟德爾定律的自私基因

2017 年 6 月 20 日，北京生命科學研究所杜立林實驗室在《eLife》發表題為「A large gene family in fission yeast encodes spore killers that subvert Mendel's law」的研究論文。該論文通過研究裂殖酵母的種內生殖隔離現象，發現一個之前功能未知的基因家族的成員是違反孟德爾定律的自私基因。

孟德爾的分離定律指出二倍體中位於基因組同一位置的一對等位基因會以 1：1 的比例進入單倍體的配子中。有些自私基因違反這一定律，通過殺死不含該基因的配子來扭曲分離比例，從而在雜合二倍體形成的配子中以超過 50% 的頻率出現。這樣的自私基因被稱為配子殺手（gamete killer）。真菌包括酵母的配子通常叫做孢子（spore），因而真菌中的配子殺手也叫做孢子殺手（spore killer）。目前已經發現的配子殺手數目有限，在分子水平上被鑒定的更寥寥無幾。

杜立林實驗室的研究人員發現裂殖酵母天然菌株 CBS5557 和實驗室菌株交配產生的孢子大多不能存活。類似的種內生殖隔離現象在其他不同來源的裂殖酵母菌株雜交時也經常發生。通過高通量測序輔助的分離子分組混合分析法（bulk segregant analysis），作者發現 CBS5557 和實驗室菌株雜交時存活的後代中來源於實驗室菌株基因組的兩個區域的等位基因頻率顯著低於 50%，暗示在 CBS5557 基因組的這些區域存在孢子殺手。通過進一步的基因組學和遺傳學分析，作者證明分別位於這兩個區域的屬於 wtf 基因家族的 cw9 和 cw27 基因是孢子殺手。實驗還發現這兩個孢子殺手可以在不同的菌株背景下和不同的基因組位置上起作用，它們之間會發生互相殺傷。通過人為突變可以得到會殺傷自己的突變體和不能殺傷但可以保護自己的突變體，提示一個孢子殺手具備可以拆分的殺傷活力和保護活力。通過第三代測序技術對 CBS5557 基因組進行分析，發現該基因組中存在 32 個 wtf 基因家族的成員，且與實驗室菌株基因組中的 wtf 基因數目和序列都有顯著的差異，說明這個孢子殺手基因家族的快速變異可能是這個物種的種內生殖隔離現象背後的主要原因。這一工作為理解基因組進化和物種形成提供了新認識。

杜立林實驗室博士后胡雯為論文的第一作者。論文的其他作者還包括杜立林實驗室的生物信息分析員索芳和研究所鄭金鑫，以及何萬中實驗室的姜招弟博士和何萬中博士。杜立林博士為本文的通訊作者。此項研究由科技部和北京市政府資助，在北京生命科學研究所完成。