Cell子刊：德国科学家从分子水平解析近缘种间杂交不能产生可育

慕尼黑路德维希-马克西米利安大学(LMU)的研究人员在以果蝇为研究模型实验中，从分子水平解析近缘种间的杂交不能产生可育的杂种的原因。并表明相关蛋白质的相对水平，而不是它们氨基酸序列的任何差异，在生殖隔离调控中至关重要。相关文章发表于2013年11月14日的《Developmental Cell》杂志上。


在20世纪早期，遗传学家和进化生物学家们发展了一个理论模型，解释为什么来自相同祖先的差异明显的物种，很快分化到这样一种程度——它们的杂种不能繁殖。这个模式假设，某些基因比其它基因进化的更快，这能在某种程度上确保它们在每个分化种群中都能正常运行，但是当它们在杂种基因组中被放在一起时，就会彼此干扰。

这些基因被称为杜布赞斯基-缪勒(Dobzhansky-Muller)基因对，或者杂种不亲和基因。慕尼黑路德维希-马克西米利安大学(LMU)的Axel Imhof教授说，“尽管有几个杜布赞斯基-缪勒基因对已经在过去五年中被分离出来，但在我们的研究之前，它们的功能实质上仍不明确”。

研究团队目前已经描述了基因Lmr(Lethal male rescue)和Hmr(Hybrid male rescue)的功能，这两个基因构成了属于近缘种的两种果蝇——黑腹果蝇(D. melanogaster)和拟果蝇(D. simulans)之间混合交配的一个杜布赞斯基-缪勒基因对。

这两个物种之间杂交产生的雄性杂种不能存活，而雌性杂种能存活但是不能繁殖。Hmr和Lhr基因编码的蛋白构成了一个分子复合物，结合到染色体的着丝粒位置，即细胞分裂前在配对姊妹染色体中发现的典型的收缩位置，在后来的细胞分裂中的染色体分离中起重要的作用。对于杂种来说，问题在于，尽管黑腹果蝇和拟果蝇都合成HMR和LHR蛋白，但它们以非常不同的数量制造这些基因产物。

因此，黑腹果蝇比拟果蝇制造了更多的HMR蛋白，而后者比黑腹果蝇产生了更高浓度的LHR蛋白。不过，不论HMR和LHR蛋白来自哪里，它们保留了相互作用的能力。因此，与亲本种细胞相比，杂种细胞中形成了更大数量的HMR-LHR复合物。

而且，这个增加不能被杂种可用着丝粒结合位点的数量所调和。结果产生的复合物数量和着丝粒结合位点之间的差异，引起了全基因组范围内的复合物结合。正是HMR-LHR复合物的这个非正态分布，引起了杂种致死现象。

这些结果表明，相关蛋白质的相对水平，而不是它们氨基酸序列的任何差异，在这里起了重要作用。这也鼓舞着LMU的研究者们，进一步借助定量蛋白组学，探索在蛋白水平的物种特有差异。Imhof说，“除了我们已经关注的HMR和LHR蛋白，其它参与调节物种间生殖隔离的因素也已经被鉴定。在将来的实验中，我们打算在更多的细节上研究这些蛋白，在真种和它们的杂种中分析这些蛋白的功能。”

原文摘要：

A Pair of Centromeric Proteins Mediates Reproductive Isolation in Drosophila Species

Andreas W. Thomae,Georg O.M. Schade,Jan Padeken,Marc Borath,Irene Vetter,Elisabeth Kremmer,Patrick Heun,Axel Imhof

Speciation involves the reproductive isolation of natural populations due to the sterility or lethality of their hybrids. However, the molecular basis of hybrid lethality and the evolutionary driving forces that provoke it remain largely elusive. The hybrid male rescue (Hmr) and the lethal hybrid rescue (Lhr) genes serve as a model to study speciation in Drosophilids because their interaction causes lethality in male hybrid offspring. Here, we show that HMR and LHR form a centromeric complex necessary for proper chromosome segregation. We find that the Hmr expression level is substantially higher in Drosophila melanogaster, whereas Lhr expression levels are increased in Drosophila simulans. The resulting elevated amount of HMR/LHR complex in hybrids results in an extensive mislocalization of the complex, an interference with the regulation of transposable elements, and an impairment of cell proliferation. Our findings provide evidence for a major role of centromere divergence in the generation of biodiversity.

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