数学模型有助研究人员理解减数分裂染色体上的DNA交换模式

近日，来自英国约翰·英纳斯中心的研究人员利用一种跨学科的方法解决了一个百年来的难题——生殖细胞在减数分裂过程中如何确定DNA交换的数量和位置。

细胞减数分裂是指有性繁殖的生物在生殖细胞成熟过程中发生的特殊分裂方式，在这一过程中，同源染色体间会交换大部分DNA。这些DNA在染色体上的数量和位置都是特定的，它们的交叉互换是为了基因重组，对于遗传多样性必不可少。这确保了每个新细胞都有独特的基因构成，并解释了为什么除同卵双胞胎外，没有两个兄弟姐妹的基因是完全相同的。

同源染色体之间的基因交换，称为同源重组。“重组位点干扰”又叫“交换干涉”，是指减数分裂过程中，当一个染色体上的一个DNA位置发生交换时，会抑制附近其他重组位点发生的几率。

研究人员利用数学建模和“3D-SIM”超分辨率显微镜，确定了一种确保DNA交换数量和位置“恰到好处”的机制，从而解开了细胞减数分裂这一百年之谜：数量不会太多，也不会太少，位置也不会太近。

他们研究了拟南芥中一种名为HEI10的蛋白质的行为，这种蛋白质在减数分裂的交换形成中发挥重要作用。超分辨显微镜显示HEI10蛋白沿着染色体聚集，最初形成许多小群体。然而，随着时间的推移，HEI10蛋白只集中在少数大得多的聚类中，一旦达到临界质量，就可以触发交换。

然后，研究人员将显微镜观测数据与模拟这种聚类的数学模型进行了比较，发现二者是一致的。这种数学模型有助研究人员理解减数分裂染色体上的DNA交换模式。

研究人员表示，这项研究对小麦等谷类作物尤其有价值，因为这些作物的杂交大多局限于染色体的特定区域，使植物育种专家无法充分利用这些植物的遗传潜力。

该研究论文第一作者克里斯·摩根博士称：“DNA交叉互换定位对进化、生育和选择性繁殖具有重要意义。通过了解驱动交换定位的机制，我们更有可能发现改进交换定位的方法，以改进目前的动植物育种技术。”

总编辑圈点：

减数分裂，有性生殖生物在生殖细胞成熟过程中发生的特殊分裂方式。有性生殖的后代，其实只遗传父母各一半的基因，但也正是因为这种方式能产生基因不一样的后代，才能有所进化。文中所述的研究，是想知道在减数分裂的过程中，那些精巧的、恰到好处的DNA交叉互换是怎么完成的。研究团队发现，一种蛋白质扮演了重要角色，它可以触发交换。研究人员认为，他们的发现可以改进目前的动植物育种技术，就是不知道这种方法和基因编辑相比，哪个更为有效和实用?(科技日报实习记者 张佳欣)