Nature丨酵母着丝粒与动粒的渐进式协同进化

撰文 | 林无隅

着丝粒是真核生物细胞分裂过程中染色体分离的关键元件，它作为支架与高度保守的动粒复合体结合【1,2】，确保遗传物质的准确分配。然而，生物学界长期存在一个著名的“着丝粒悖论”：尽管结合着丝粒的动粒蛋白在进化上高度保守，着丝粒DNA序列却是基因组中进化最快的区域之一【3,4】，展现出极大的多样性【5,6】。目前，科学界尚不清楚生物体如何在保持关键细胞分裂功能的同时，演化出全新的着丝粒序列。特别是关于这些转变是渐进发生的还是瞬间完成的，是受自然选择驱动还是遗传漂变主导，以及快速进化的DNA如何维持与保守动粒的连接等问题，至今仍未得到解决。

近日，美国斯坦福大学医学院遗传学系的Gavin Sherlock和欧洲欧洲分子生物学实验室 (EMBL)的Gautam Dey团队在Nature杂志上发表了Progressive coevolution of the yeast centromere and kinetochore的研究文章。研究人员开发了一种名为PCAn的自动化注释工具，利用酿酒酵母科和毛霉门真菌作为模型，系统追踪了跨越约10亿年进化史的着丝粒演变。通过分析超过2500个天然菌株的分离株和138个物种的基因组，作者构建了详尽的着丝粒序列多样性图谱。研究发现，着丝粒的进化并非突发性的整体替换，而是通过新旧变体共存的过渡阶段逐渐完成的。这一过程由遗传漂变促使新变体在群体中扩散，随后通过自然选择和动粒蛋白的适应性突变实现固定，揭示了动粒作为“过滤器”筛选着丝粒变体的协同进化机制。

研究人员首先利用PCAn工具绘制了138个酿酒酵母科物种的着丝粒序列图谱，重点分析了CDEII区域（富含AT的区域）的长度变化。尽管物种间CDEII长度差异巨大，但在大多数单一基因组内其长度保持高度一致。然而，作者在Jamesozyma和Vanderwaltozyma等处于进化过渡期的属中，惊奇地发现基因组内同时存在两种不同长度的着丝粒变体。这种新旧变体在同一细胞中共存的现象有力地证明，着丝粒的转变是一个逐个染色体发生的渐进过程，而非在全基因组范围内瞬间完成的同步突变。

为了解析驱动这种渐进转变的机制，作者结合了计算机模拟和体内质粒滞留实验。模拟结果显示，仅靠遗传漂变无法完成着丝粒的完全替换，必须有自然选择的参与才能推动变体固定；实验也证实，在特定物种（如J. spencerorum）中，较长的着丝粒变体表现出明显的分离优势。此外，对1493个酿酒酵母菌株的种内变异分析表明，有性生殖加速了着丝粒变体在群体中的扩散。这些变体大多源于微同源介导的突变（可能由复制叉停滞引起），并通过漂变和选择的共同作用在种群中立足。

研究进一步揭示，动粒的结构界面对着丝粒的进化施加了严格约束，例如CDEII长度的变化通常以约10bp（DNA螺旋的一个周期）为单位，以维持动粒蛋白结合基序的正确空间取向。同时，结合CDEI基序的动粒蛋白Cbf1显示出明显的正选择信号，特别是其N端区域的突变能够显著改变对着丝粒变体的偏好性。互补实验表明，Cbf1蛋白的适应性进化使得新着丝粒变体在特定进化阶段更具分离效率。这证实了动粒蛋白并未被动适应，而是通过与着丝粒DNA序列的紧密协同进化，积极驱动了着丝粒的演变。

综上所述，该研究通过大规模的基因组分析和功能验证，提出了一个着丝粒进化的动态模型：新着丝粒变体首先通过复制错误产生，借助遗传漂变和有性生殖在群体中扩散，其命运最终取决于与动粒界面的兼容性及随后的协同进化选择。动粒不仅是被动的结合平台，更是决定新DNA序列能否保留的“过滤器”。这一发现完美解释了“着丝粒悖论”，阐明了在保守蛋白机器约束下DNA序列快速演化的分子机制。该研究建立的理论框架不仅适用于真菌，也为理解包括人类在内的复杂真核生物着丝粒的进化规律提供了重要的指导意义。

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09779-1

制版人： 十一

参考文献

1. Hooff, J. J., Tromer, E., Wijk, L. M., Snel, B. & Kops, G. J. Evolutionary dynamics of the kinetochore network in eukaryotes as revealed by comparative genomics.EMBO Rep.18, 1559-1571 (2017).

2. Tromer, E. C., Van Hooff, J. J. E., Kops, G. J. P. L. & Snel, B. Mosaic origin of the eukaryotic kinetochore.Proc. Natl Acad. Sci. USA116, 12873–12882 (2019).

3. Bensasson, D., Zarowiecki, M., Burt, A. & Koufopanou, V. Rapid evolution of yeast centromeres in the absence of drive.Genetics178, 2161–2167 (2008).

4. Logsdon, G. A. et al. The variation and evolution of complete human centromeres.Nature629, 136–145 (2024).

5. Malik, H. S. & Henikoff, S. Major evolutionary transitions in centromere complexity.Cell138, 1067–1082 (2009).

6. Guin, K., Sreekumar, L. & Sanyal, K. Implications of the evolutionary trajectory of centromeres in the fungal kingdom.Annu. Rev. Microbiol.74, 835–853 (2020).

学术合作组织

（*排名不分先后）

战略合作伙伴

（*排名不分先后）

转载须知

【原创文章】BioArt原创文章，欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，所刊登的所有作品的著作权均为BioArt所拥有。BioArt保留所有法定权利，违者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

近期直播推荐

点击主页推荐活动

关注更多最新活动！