北生所杜立林团队在裂殖酵母中发现违反孟德尔定律的自私基因

2017 年 6 月 20 日，北京生命科学研究所杜立林实验室在《eLife》发表题为“A large gene family in fission yeast encodes spore killers that subvert Mendel's law”的研究论文。该论文通过研究裂殖酵母的种内生殖隔离现象，发现一个之前功能未知的基因家族的成员是违反孟德尔定律的自私基因。

孟德尔的分离定律指出二倍体中位于基因组同一位置的一对等位基因会以 1：1 的比例进入单倍体的配子中。有些自私基因违反这一定律，通过杀死不含该基因的配子来扭曲分离比例，从而在杂合二倍体形成的配子中以超过 50% 的频率出现。这样的自私基因被称为配子杀手（gamete killer）。真菌包括酵母的配子通常叫做孢子（spore），因而真菌中的配子杀手也叫做孢子杀手（spore killer）。目前已经发现的配子杀手数目有限，在分子水平上被鉴定的更寥寥无几。

杜立林实验室的研究人员发现裂殖酵母天然菌株 CBS5557 和实验室菌株交配产生的孢子大多不能存活。类似的种内生殖隔离现象在其他不同来源的裂殖酵母菌株杂交时也经常发生。通过高通量测序辅助的分离子分组混合分析法（bulk segregant analysis），作者发现 CBS5557 和实验室菌株杂交时存活的后代中来源于实验室菌株基因组的两个区域的等位基因频率显著低于 50%，暗示在 CBS5557 基因组的这些区域存在孢子杀手。通过进一步的基因组学和遗传学分析，作者证明分别位于这两个区域的属于 wtf 基因家族的 cw9 和 cw27 基因是孢子杀手。实验还发现这两个孢子杀手可以在不同的菌株背景下和不同的基因组位置上起作用，它们之间会发生互相杀伤。通过人为突变可以得到会杀伤自己的突变体和不能杀伤但可以保护自己的突变体，提示一个孢子杀手具备可以拆分的杀伤活力和保护活力。通过第三代测序技术对 CBS5557 基因组进行分析，发现该基因组中存在 32 个 wtf 基因家族的成员，且与实验室菌株基因组中的 wtf 基因数目和序列都有显著的差异，说明这个孢子杀手基因家族的快速变异可能是这个物种的种内生殖隔离现象背后的主要原因。这一工作为理解基因组进化和物种形成提供了新认识。

杜立林实验室博士后胡雯为论文的第一作者。论文的其他作者还包括杜立林实验室的生物信息分析员索芳和研究生郑金鑫，以及何万中实验室的姜招弟博士和何万中博士。杜立林博士为本文的通讯作者。此项研究由科技部和北京市政府资助，在北京生命科学研究所完成。