所谓的“垃圾”DNA是必不可少的，在物种形成中起着关键作用

我们的基因组有10%以上是由重复的、看似毫无意义的、被称为卫星的遗传物质组成的脱氧核糖核酸不编码任何蛋白质。过去，一些科学家将这种DNA称为“基因组垃圾”

然而，在长达数年的一系列论文中，怀特黑德研究所成员Yukiko Yamashita及其同事证明了卫星DNA不是垃圾，而是在细胞中起着至关重要的作用：它与细胞蛋白质一起工作，将细胞的所有染色体保持在一个细胞核中。

现在，他们的最新一期研究成果于7月24日在线发表在《华尔街日报》上分子生物学与进化俄罗斯比利时赔率Yamashita和前博士后Madhav Jagannathan(目前是瑞士苏黎世联邦理工学院的助理教授)将这些研究向前推进了一步，提出卫星DNA使染色体组织系统成为可能，是来自不同物种的生物体无法产生可存活后代的原因之一。

“七八年前，当我们决定研究卫星DNA时，我们并没有研究进化的计划，”山下说。他还是麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的生物学教授，同时也是霍华德·休斯医学研究所(Howard Hughes Medical Institute)的研究员。俄罗斯比利时赔率“这是科学研究中一个非常有趣的部分:当你没有一个先入之见时，你只需要跟随线索，直到你遇到完全意想不到的东西。”

物种起源：DNA版

研究人员多年前就知道，卫星DNA在不同物种之间存在很大差异。她说:“如果你观察黑猩猩的基因组和人类的基因组，你会发现它们的蛋白质编码区大约有98%到99%是相同的。”“但垃圾DNA部分非常、非常不同。”

“这些是基因组中进化最快的序列，但之前的观点是，‘好吧，这些都是垃圾序列，谁在乎你的垃圾序列和我的垃圾序列是否不同?”“Jagannathan说。

但是，当他们研究卫星DNA对纯物种的繁殖力和生存的重要性时，山下和贾甘纳森得到了他们的第一个暗示，这些重复序列可能在物种形成中起作用。

当研究人员删除了一种名为Prod的蛋白质，该蛋白质与果蝇黑腹果蝇的特定卫星DNA序列相结合，果蝇的染色体分散在细胞核外，形成一种称为微核的细胞物质小球，果蝇死亡。Jagannathan说：“但我们在这一点上意识到，这个由Prod蛋白结合的卫星DNA在果蝇的近亲中完全缺失。”。“它完全不存在。所以这是一个有趣的小问题。”

如果这部分卫星DNA对一个物种的生存至关重要，但对另一个物种却缺失，这可能意味着随着时间的推移，两种果蝇进化出了不同的卫星DNA序列，以发挥相同的作用。由于卫星DNA在保持所有染色体在一起的过程中发挥了作用，Yamashita和Jagannathan想知道这些进化上的差异是否可能是不同物种繁殖不相容的原因之一。

山下幸男说：“当我们意识到卫星DNA在细胞中的作用后，不同物种之间卫星DNA的差异真的像闪电一样击中了我们。”。“突然之间，这成了一个完全不同的调查。”

两种果蝇的故事

为了研究卫星DNA差异是如何导致生殖不亲和性的，研究人员决定将重点放在果蝇家族树的两个分支上：经典的实验室模型果蝇黑腹果蝇和它的近亲拟果蝇。这两个物种在两百万到三百万年前彼此分离。

研究人员可以让雌性黑腹果蝇和雄性拟果蝇交配，“但这种杂交产生的后代非常不快乐，”Yamashita说。“要么不育，要么死亡。”

Yamashita和Jagannathan一起培育苍蝇，然后研究后代的组织，看看是什么导致这些“不快乐”的杂种像苍蝇一样掉下来。Yamashita说，他们立刻注意到了一件有趣的事情：“当我们观察这些杂交组织时，很明显，它们的表型与破坏了纯物种的卫星DNA[-介导的染色体组织]的表型完全相同。”。染色体分散，没有包裹在一个细胞核内

此外，研究人员还可以通过突变父代果蝇中的某些基因（称为“杂交不亲和基因”）来培育健康的杂交果蝇，这些基因已被证明定位于纯物种细胞中的卫星DNA。通过这些实验，研究人员能够证明这些基因是如何影响杂交种的染色体包装的，并首次精确定位与它们相关的细胞表型。贾甘纳森说：“我认为，这可能是本文最关键的部分。”。

综上所述，这些发现表明，由于卫星DNA的变异相对频繁，因此结合卫星DNA并使染色体保持在一起的蛋白质必须进化才能跟上，从而导致每个物种制定自己的卫星DNA“策略”。当两种策略不同的生物杂交时，就会发生冲突，导致染色体分散在细胞核外。

在未来的研究中,山下先生和Jagannathan希望把他们的模型,最终测试:如果他们能够设计一种蛋白质,这种蛋白质可以绑定两个不同物种的卫星DNA和染色体在一起,他们理论上可以“拯救”注定混合,使其生存和产生可以存活的后代。

这一生物工程的壮举可能还需要几年的时间。Yamashita说:“现在这只是一个纯粹的概念。”“在进行这种修补的过程中，可能需要解决很多细节问题。”

目前，研究人员计划继续研究卫星DNA在细胞中的作用，他们对卫星DNA在物种形成中所起的作用有了新的认识。“对我来说，这篇论文令人惊讶的部分是我们的假设是正确的，”Jagannathan说。“我的意思是，回想起来，有很多事情可能与我们的假设不一致，所以我们能够从开始到结束绘制出一条清晰的道路，这有点令人惊讶。”

参考文献:“有缺陷的卫星DNA聚集到染色体中心，导致杂交不亲和性果蝇Madhav Jagannathan和Yukiko M Yamashita, 2021年7月24日，分子生物学与进化俄罗斯比利时赔率．
DOI: 10.1093 / molbev / msab221