Nature头条:性别的古老传说

时间:2008年1月11日
来源:生物通

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真菌并没有精确区分开雌雄,但是确实存在性别差异,来自杜克大学医学院分子遗传与微生物学系,密苏里大学堪萨斯分校(University of Missouri, Kansas City,生物通注)生命科学学院的研究人员近期发现了一些真菌早期的进化形式,为高等动物——包括真菌的远亲:人类——提供了新线索。这一研究成果公布在《Nature》杂志封面上。

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生物通报道:真菌并没有精确区分开雌雄,但是确实存在性别差异,来自杜克大学医学院分子遗传与微生物学系,密苏里大学堪萨斯分校(University of Missouri, Kansas City,生物通注)生命科学学院的研究人员近期发现了一些真菌早期的进化形式,为高等动物——包括真菌的远亲:人类——提供了新线索。这一研究成果公布在《Nature》杂志封面上。

这一研究由Joseph Heitman领导,主要研究手段是通过从一种最古老的真菌类型:Phycomyces blakesleeanus(布拉克须霉,生物通注)分离得到了性别决定基因。


(《Nature》封面)

布拉克须霉作为感光模型最早由诺贝尔奖获得者Max Delbrück采用——Max Delbrück、Alfred D. Hershey和Salvador E. Luria组成的小组进行了著名的噬菌体实验,证明DNA就是遗传信息的物质载体。这一杰出的实验成就直接导致了DNA双螺旋结构的发现,并因此奠定了分子遗传学乃至整个分子生物学的基础。

在这项新研究中,布拉克须霉作为了另外一种不同领域的研究模型,即性别的决定过程。与其它真菌一样,布拉克须霉没有完整的性染色体,就像人类的X或Y染色体,它的性别决定是由基因组的一个小区域控制的,这个区域称为交配型位点(Mating type locus)。在许多进化水平上更高级的真菌物种中都发现过交配型位点,并且表现出不寻常的差异种类数量,甚至在相似的真菌物种中都存在这些差异,这让科学家们感到奇怪:这是如何进化的?

Heitman研究小组认为真菌这一最早形式的性别决定方式也许揭示了交配型位点的一种古老结构,就像是一种分子化石。Heitman表示,“真菌是研究人类性别差异进化的适合模式,这是因为真菌决定性别的遗传序列比人类性别决定的染色体要小。”

为了识别出布拉克须霉的交配型位点,研究人员利用计算机比较已知的其它真菌种系基因组种的交配型位点,然后绘制遗传图谱,“我们通过一种usual-suspects方法,比较了不同类型真菌蛋白,然后识别出了一种在所有种系都相关的‘候选人'”。

利用这一DNA,研究人员分离得到了调控配对的一种基因的两个版本,即sexM(sex minus) 和sexP (sex plus),具有这两种类型中的一种的真菌可以相互配对。

而且这两个版本的基因都能编码一种称为高迁移率蛋白质(high-mobility group protein,生物通注)位点蛋白,这种蛋白能通过一种未知途径调控性别差异。这种蛋白与人类Y染色体上一个主要调控因子:SRY蛋白十分相似,因此研究人员认为这种相似性说明HMG位点蛋白也许标记了真菌和人类性别决定的进化开端。
(生物通:张迪)

原文摘要:
Nature 451, 193-196 (10 January 2008) |
doi:10.1038/nature06453; Received 13 August 2007; Accepted 5 November 2007
Identification of the sex genes in an early diverged fungus
Abstract

附:
从物理学家到生物学家

1952年,德尔布吕克、美国遗传学家赫尔希(Alfred D. Hershey)和意大利生物学家卢里亚(Salvador E. Luria)组成的小组进行了著名的噬菌体实验,证明DNA就是遗传信息的物质载体。这一杰出的实验成就直接导致了DNA双螺旋结构的发现,并因此奠定了分子遗传学乃至整个分子生物学的基础。因为这一成就,德尔布吕克等三人荣获诺贝尔生理学和医学奖。

德尔布吕克在斯德哥尔摩接受诺贝尔奖牌时为1969年,然而早在三十年前德尔布吕克就已经发表了划时代的科研成果:

1935年,德尔布吕克与前苏联遗传学家梯莫菲也夫-雷索夫斯基(Timofeeff-Ressovsky )和物理学家齐默尔(K. G. Zimmer)合作,应用物理学概念研究果蝇的X射线诱变现象,建立了一个突变的量子模型。他们三人共同署名的论文题为《关于基因突变和基因结构的性质》,刊登在德国哥廷根的科学协会通讯上,此文建立了遗传基因原子物理学的模型,并倡导“遗传基因的高分子学说”,给理论遗传学打上了物理学的烙印。这是世界上第一个基因模型的提出,比沃森(James Watson )和克里克(Francis Crick )提出著名的DNA双螺旋结构模型整整早了18年。

生命的谜题

麦克斯·德尔布吕克(Max Delbrück)1906年9月4日出生于德国柏林,其父为柏林大学历史学教授,母亲是著名化学家李比希(J. Liebig)的孙女。德尔布吕克从童年起就对科学有着浓厚兴趣。他早期的兴趣在天文学,后来转而从事量子力学。1930年他在格丁根大学麦克斯·玻恩(Max Born)的指导下获理论物理学博士学位。然而他很快便对他的专业失去了热情:主流的思想和大的发现都出现于20 世纪中期。1932年,玻尔在哥本哈根举行的国际光疗会议上发表了《光和生命》的著名演讲,应用物理学的概念来解释生命现象。在当时,人们很难理解玻尔这些科学思想的意义,一些听讲的生物学家甚至不知所云。然而,玻尔以一种天才的直觉能力,借助于量子力学的范例,预感到在生物学中将有某些新的发现。这无疑给人们一种深刻的启示,并向当时的物理学家和生物学家提出了挑战。这引发了年轻的德尔布吕克向生物学以及生命的谜题探索的兴趣。从此德尔布吕克将一向彼此分离的物理学与生物学联结起来。他将物理学的模型和方法应用于活体生物研究。德尔布吕克关于噬菌体试验的论文发表于 1939 年。在序言中指出:“过去有种错误观点认为,细菌病毒是一种化学分子而非生物。我们的工作则表明,某些大蛋白分子( 病毒) 具有在物体内增殖的特性。”这一试验被公认为“现代”噬菌体遗传学之开端。

为了实验的需要,德尔布吕克邀请意大利细菌学家卢里亚到纽约冷泉港实验室,共同研究噬菌体遗传现象。1943年1月,卢里亚设计了另一项著名的“波动试验”,结果表明:细菌的耐噬菌体突变的产生是随机的。这一结果表明细胞变种的随机自发的选择性,成为细菌遗传学的一项突破,动摇了拉马克主义关于细菌只有获得性遗传而无突变性的偏见。1月底,赫尔希加入了他们的行列,“噬菌体学派”的核心形成了。

麦克斯·德尔布吕克分子医学中心

德尔布吕克的专业贡献在科学界的影响力是毋庸置疑的,很多的科学研究机构都是以德尔布吕克命名:例如 1922年组建的坐落于柏林布赫的麦克斯·德尔布吕克分子医学中心(MDC)。与其他的科研机构一道,每年MDC授予卓越的研究者们麦克斯·德尔布吕克奖章。

麦克斯·德尔布吕克与许多的德裔科学家一样,在纳粹时代移居美国,更好的科研条件也是一个有力因素,战后他也没有再回德国。然而他仍情系故土,支持德国科学界的重建:他赞助创建科隆大学遗传学研究所并且在1961至1963年间担任所长。他也极力支持康斯坦茨大学生物系的创建。

德尔布吕克开辟了现代分子生物学的先河。他的研究工作对于后代的生物学研究者们仍具有重大科研意义。关于“生命的谜题”,遗传分子的基础问题,德尔布吕克没有予以解答,这一任务势必落在他的学生詹姆斯(James D. Watson)肩头。

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