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玉米沒告訴你的「基因洗牌」關鍵蛋白質

為什麼要研究植物「減數分裂」?

氣候變遷迫使農田休耕、作物歉收,人類需要體質更優良也更美味的作物。一直以來,科學家利用「遺傳育種」,從大自然的遺傳多樣性中,透過有性生殖篩選保留優良的基因組合。在中研院植物暨微生物研究所王中茹的實驗室裡,透過超高解析度顯微鏡觀察玉米染色體世界,正在破解同源染色體如何重組的謎團。其中,發現蛋白質 DSY2 是解開謎團的第一個線索。

王中茹笑說:「就算是再小的發現,衝回實驗室跟大家宣佈前,我是全宇宙唯一知道這件事的人!」圖/張語辰提供

每天一睜開眼,想到要去上班是什麼心情?對於王中茹與團隊而言,每天都是一個發現新事物的機會。在好奇心的驅使下,王中茹與博士班學生李頂華及團隊成員發現影響玉米染色體 DNA 交換的關鍵之一: DSY2 蛋白質。這個蛋白質參與生殖過程中減數分裂的「染色體互換」,讓基因有機會透過「天然洗牌」的方式,使玉米的下一代有更多變異,有機會長得更好、更能適應環境。

當雄花的花粉落到雌花上,兩副單套的染色體組合成下一代,生成一顆顆玉米種子。但其實早在花粉母細胞(雄)和大孢子母細胞(雌)進行減數分裂時,就有人類肉眼看不見的基因重組,可以想像成基因天然洗牌。圖/賴鵬智、王中茹、iStock 提供;林婷嫻、張語辰改編

上千年來,人類一直藉由觀察植物的特性來選拔適合栽培的作物,近一百年來,則利用遺傳知識進行科學育種,主要為透過有性生殖的減數分裂來重組交換基因,藉由改變基因組成,挑選出更優秀的品系,稱為「遺傳育種」。

約三十年前,隨著基因轉殖技術的發展,科學家得以將來自於不同物種的 DNA 片段,殖入作物的基因組內藉以調整作物的某些特性,就是俗稱的「基因改造」。近五年發展出 CRISPR/Cas9 基因編輯技術,可以針對原有的特定基因改變部分 DNA 序列而微調其功能,稱為「基因編輯」。只要後續利用減數分裂,將誘導 DNA 序列改變的編輯器去除,這樣的品系將不帶有外來物種的 DNA 片段,因此學術界與官方管理單位傾向認定這類產品是「非基改作物」。這些技術皆改變了部分的基因組成,使農作物更優良。

在可見的未來,面臨人口爆炸、氣候變遷造成作物歉收的情況,科學家無不積極面對這嚴峻的挑戰,希望能讓作物便利種植、耐旱抗蟲害、產量大增還能保持美味。以目前全球產量最多的作物玉米為例,從 1960 年代迄今,國際間隨著農業技術進步、殺蟲劑與肥料的運用、及育種技術的創新,玉米產量節節升高,但價格也不斷攀升。估計到 2050 年全球的玉米產量需要再增加七成,才得以應付世界的變化。

遺傳育種、基因改良、基因編輯,三種技術的差別。圖/王中茹提供;林婷嫻 、張語辰設計

儘管新興的「基因編輯」技術引起廣大注意,並預期會帶來革命性的影響,但是傳統「遺傳育種」的地位仍不可取代。由於大多數高產量或其他複雜的作物特性,往往是由許多基因相互作用的結果,因此這類的改良目前仍依靠「遺傳育種」技術為主。然而,即使是在基因體解碼的後基因體時代,遺傳育種仍因為減數分裂中染色體重組的天然限制而效率不彰。如何運用減數分裂的奧妙,控制遺傳重組的「位置」和「數目」,是目前一個重要的研究方向,也是王中茹團隊投入的研究領域。

染色體互換 攸關今生基因拿到什麼牌

有句名言說道「人生不在於手握一副好牌,而是打好你手上的牌」,但無論是人類或玉米,當爸媽的生殖細胞進行減數分裂,在染色體重組並隨機分配時已決定一部分基因組合;接著精細胞與卵細胞有緣相遇時,就完全決定今生拿到的基因牌組。

為何我從爸爸那遺傳到爺爺的自然捲、奶奶的大眼睛,但是沒有遺傳到爺爺的長睫毛、奶奶的挺鼻子?因為爸爸的染色體也是爺爺和奶奶給的,在爸爸的精細胞進行減數分裂時,爺爺奶奶的染色體互換重組,並且最後只留一組染色體在爸爸精細胞中,再搭配上媽媽送的另一組染色體,就組合成「我」的遺傳藍圖。

基因「天然洗牌」重組的過程中,在同一條染色體上的「好基因」與「壞基因」可藉著重組而打散,不再一起代代相傳。基因若能拿到好牌,表現在人類上,也許會是高顏值,表現在玉米上,也許會是又大又香甜又好種。

透過一代又一代的基因「天然洗牌」重組,配合分子標誌輔助,有機會培育出集合優點於一身的玉米,例如抗蟲、香甜又耐旱。圖/王中茹提供 ;林婷嫻、張語辰改編

打斷手骨顛倒勇 打斷 DNA 洗好牌

染色體上的 DNA 會發生多處打斷 (DSB) ,但最終能互換的 DNA 片段只有一部分。圖/王中茹提供 ;林婷嫻、張語辰改編

在生殖母細胞減數分裂的階段,同源染色體必須互相配對,才能正確地在接下來的過程中兩兩分離。在配對時,每對染色體(也就是一條來自爸爸,一條來自媽媽)會先在染色體的許多地方發生「DNA 雙股斷裂(DSB)」,從分子生物學的角度來看,這是相當危險的行動,因為 DNA 是生命的遺傳藍圖,可不能隨便斷裂損傷!

但減數分裂是個獨特的過程,染色體為了正確遺傳到下一代(也就是同一對染色體,只傳一條到生殖細胞中),勇敢地自斷手腳,為了正確配對而去尋找另一條同源染色體上可以互換的 DNA 。這些 DNA 斷裂的位置,有機會成為最終染色體互換的位置,基因重新組合後的兩條染色體,再平均分到細胞中。

計畫性地打斷 DNA 非同小可,可以想見細胞在這過程中必須有很嚴密的控制,比如說:何時打斷 DNA、打斷的位置和數目,以及確保所有 DNA 斷裂最後都被完整修復。另外,在眾多 DNA 斷點中,每對染色體通常只會發生一至兩個互換,而且最終互換的位置往往位於染色體的末端區域。

為此,世界各國的科學家與王中茹研究團隊,希望能找出決定 DNA 斷裂的關鍵、和最終控制染色體互換位置的機制,也許有機會讓原本不會互換的染色體區段,也能發生基因重組。

中間這一大段極少互換的染色體,可能有著讓下一代更好的基因。圖/王中茹提供;林婷嫻、張語辰改編

影響玉米基因洗牌 發現關鍵角色 DSY2

「在哪裡~在哪裡~不要隱藏你自己~」就像警方追查一個案件的發生,要找到關鍵人物一樣,科學家為了追查染色體互換的源頭,也是煞費苦心。2015 年王中茹研究團隊發現,影響玉米得以發生基因洗牌的關鍵角色之一,就是一種名為 DSY2 的蛋白質。

在你一口咬下的玉米中,有個名為 DSY2 的基因負責促成染色體互換。圖/王中茹提供;林婷嫻、張語辰改編

DSY2 蛋白質不僅影響 DNA 打斷的發生,也參與另一個重組互換中的重要過程:聯會。當同源染色體靠著 DSB 在細胞核中找到彼此時,另一群蛋白質(其中以 ZYP1 為主要)會形成拉鍊般的結構,把兩條染色體緊緊拉在一起,好讓染色體完成互換,並且修復所有的 DSB。這個拉鍊般的構造,稱為聯會複合體(synaptonemal complex)也會影響互換的發生。

王中茹研究團隊發現 DSY2 蛋白質也是聯會複合體是否可以成功組裝的關鍵。若把 DNA 片段想像成要跳到另一條同源染色體攻城,中央蛋白 ZYP1 是負責在護城河搭橋的士兵,而 DSY2 蛋白質是引導這一切得以實現的軍師。

超高解析度螢光顯微鏡中,看到染色體上面的 綠色的 DSY2 蛋白質、紅色的 ZYP1,組合成聯會複合體。圖/王中茹提供

如果造物主限制染色體互換的區段和數目是關上一道門的話,王中茹研究團隊的發現彷彿為玉米界的減數分裂互換開了一扇窗。此研究成果被刊登在國際期刊《植物細胞》(The Plant Cell),並獲美國農業部「玉米基因組研究資料庫 MaizeGDB」評鑑為重要的科學發現。透過對 DSY2 功能的更多分析,研究團隊正逐步了解 DSB 的決定因子和聯會在重組上的調控。只要了解玉米的染色體重組機制後,就能實驗如何操控這些蛋白質影響基因「天然洗牌」重組,或許能發展出育種上有用的策略,成為未來解決糧食危機的機會。

基礎研究不一定能應用,但如果不從基礎開始,就像房子沒有了地基,何來的創新應用。

──中研院植物暨微生物所 王中茹

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  • 執行編輯|林婷嫻 美術編輯|張語辰

本著作由研之有物製作,以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

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