更加全面地认识非随机分离将会阐明物种形成是如何发生的。
葡萄牙的马德拉岛上生活着6种不同染色体小种的小鼠，每一种小鼠和其他地区的小鼠相比，二倍体染色体的数目大幅减少。这种引人注目的多样性最早在20世纪与21世纪之交时得到确认，可以用个别染色体的反复融合来解释。每个小种有一组不同的染色体融合，由于染色体配对的问题，两个小种之间的混种很可能会降低可育性，或者根本就不育。种群中的生殖隔离是通往物种形成之路上的关键一步——在小鼠的例子中，这些染色体改变全都发生在小鼠的祖先抵达马德拉岛（可能是搭乘维京人的船只）后的1 000年之内。
导致这些快速核型变化的所谓罗氏融合是相对常见的染色体重排。但它们在马德拉岛小鼠种群和其他地区多个孤立小鼠种群中的积聚很可能是源于另一个影响因素：罗氏融合为卵细胞，而不是雌性减数分裂中形成的、被抛弃的极体的偏向分离。
我们一般认为，染色体的分离机制是要确保不偏不倚的随机分离。正如我们在高中生物课上学到的，假如一个二倍体携带两个不同的等位基因（也就是杂合子），那么每个等位基因最终进入单倍体配子的可能性相等。这条定律解释了孟德尔在经典遗传研究中观察到的表现型的3：1比例。然而，科学家在几十年前就已经知道，自私基因能够破坏孟德尔式分离，提高它们在下一代中出现的频率，这个现象被称为减数分裂驱动。马德拉鼠的例子提出，融合的染色体也能驱动不相等的遗传。
因为罗氏融合从形态上很容易识别，也因为小鼠卵母细胞是一个已确立的模型系统，所以从2010年开始，在我位于宾夕法尼亚大学的实验室里，研究小鼠的这些染色体融合为研究减数分裂驱动的细胞生物学提供了一个切入点。我们的研究聚焦于着丝粒——也就是每个染色体中与纺锤体微管相互作用，在有丝分裂或减数分裂中指导分离的部分——发现着丝粒结构的尺寸决定偏向分离的方向，较大的着丝粒偏向分离成卵细胞。着丝粒DNA一般是高度重复性的，我们发现，较大的着丝粒具有较多的小鼠着丝粒随体重复特征，有更多的着丝粒蛋白质与DNA有关。因而，看起来最新形成的罗氏融合可能导致更大的着丝粒，而它会驱动并在自然种群中变得固定。
罗氏融合的减数分裂驱动阐明了50多年前动物学家怀特在一篇论文中提出的想法：“也许，极少数通过生成强有力隔离机制的能力，在物种形成中起到关键作用的染色体重排，正是那些碰巧在雌性减数分裂中拥有分离优势的染色体重排。”罗氏融合这个例子说明这样的染色体重排能通过着丝粒扩张产生分离优势（也就是驱动）。马德拉岛和其他地方的染色体竞赛显示，驱动能够如何引向快速核型变化，以及积聚不同组别的融合的种群之间的生殖屏障。
非随机分离的早期迹象
遗传学家马库斯 · 罗兹（Marcus Rhoades）在1942年，根据对于异常的玉米第10号染色体（Ab10）的观察，引入减数分裂驱动的概念。Ab10拥有一个多余的DNA片段——称作染色体结——上面包含一段重复的DNA序列。罗兹表明，Ab10在雌性减数分裂中偏向分离为卵细胞。他也提出一个模型来解释这一现象，涉及在后期朝向减数分裂纺锤极，变动Ab10的位置。减数分裂的4个产物被布置成一个直线型四分体，仅有较下方的细胞发育为卵细胞，于是这种极性定位提高Ab10最终进入卵细胞的可能性。结果发现，这个模型在概念上是正确的，科研人员近期就发现了一个负责定位Ab10的分子马达。
玉米的染色体结对于染色体功能并非必需，甚至不带来好处，除了在自私的层面上提高它们自身通过雌性减数分裂的传递。相比之下，着丝粒在细胞分裂时被普遍用于忠实的染色体分离。正如细胞生物学家先驱丹 · 梅齐亚（Dan Mazia）在1961年表述的：“携带大多数遗传物质的染色体臂在有丝分裂中的角色或许可与一具遗体在葬礼上的角色相比较——它们提供进行进程的理由，但不会积极地参与进程。”更确切地说，行动发生在着丝粒，着丝粒调解染色体与纺锤体微管之间的相互作用。
由于着丝粒联结纺锤体的核心功能在真核生物中是高度保守的，所以我们预期着丝粒的成分也是保守的。然而与这种预期恰恰相反，多个真核生物谱系中的许多着丝粒蛋白质迅速演化，氨基酸改变的式样暗示了正向选择。着丝粒的重复性DNA不编码任何蛋白质，甚至在亲缘关系很近的物种中，也是高度易变的。尽管着丝粒有着高度保守的功能，着丝粒蛋白质和DNA成分却都快速演化，这种情况显得很矛盾。
为了解释这种矛盾，研究者在2001年提出着丝粒可能在减数分裂驱动中扮演某种角色。根据着丝粒驱动假说，着丝粒DNA序列（譬如玉米染色体球）能充当自私的遗传元素，通过劫持染色体分离机制，提升它们传递给下一代的概率。这种着丝粒驱动可能带来适应性代价，譬如产生非整倍体配子的分离错误的概率大增。这些代价对于着丝粒蛋白质的适应进化带来选择压力，从而抑制适应性代价。
但是，着丝粒的重复性、非编码DNA一直在变化，将基因组的其余部分（着丝粒蛋白质被编码于此）置于反复的适应压力之下。这种持续不断的遗传冲突类似免疫因子在来自不断变化的病原体的压力下演化，不过是必要的染色体位点充当了病原体的角色。结果就是，着丝粒DNA和蛋白质甚至在亲缘关系很近的物种中也是高度易变的。因为这个原因，驱动理论提出，一个种群中适应了着丝粒的蛋白质在面对另一个种群多种多样的着丝粒时，也许就无法实现最佳运作，导致杂交不亲和、生殖隔离和物种形成，类似核型差异引起的隔离。
支持着丝粒驱动理论的最早证据来自2008年发表的对于黄色沟酸浆的观察结果。在这些植物中，膨大的着丝粒（有着更多份重复的着丝粒DNA）显示出强烈的传递偏向。当植物对于这种膨大的着丝粒是杂合的，它可能有98%的概率最终出现在后代之中。然而，膨大着丝粒是纯合的植物显示出以种子和花粉产量减少的形式出现的生殖适应性代价，然而背后的底层机制尚不清楚。随后的发现显示，不同遗传背景下，传递偏向的程度不一。研究明确指出一个H3组蛋白的变异体是潜在的驱动抑制因子。这个被称为CENP-A或CenH3的蛋白质变异体在封装着丝粒DNA上起到关键作用，充当动粒的基础，动粒是一个联结纺锤体微管的多蛋白复合体。
这些观察结果与着丝粒驱动假说相一致，向细胞生物学家提出令人着迷的机制问题：自私的着丝粒是如何让分离偏向的？着丝粒蛋白质的适应可能如何防止驱动，或者如何抑制非随机分离的代价？所有这些对于种群和物种的进化意味着什么？
不均等的分离
随机分离使得亲本的每个等位基因有着相同的传递概率（0.5的概率）。这能够以传统的庞纳特方格（左图）予以视觉化，这导致后代表现型的3：1比例，后代遗传型的1：2：1比例（分别由灰色、黑色和白色代表）。假如有减数分裂驱动，那些比例就会改变，有时改变很大（右图）。譬如，在混种的沟酸浆中，“失调位点”（D）在种子亲中显示悬殊的98：2分离比偏向，导致后代中DD过多
偏向分离的机制
着丝粒驱动依赖性减数分裂中的多种不对称。首先是细胞命运的不对称，导致一个功能配子的诞生，其他单倍体细胞则退化，因此进入演化的死胡同。其次，接近细胞皮层的纺锤体位置的不对称——细胞皮层是一层薄薄的肌动蛋白和其他蛋白质，位于原生质膜或者说细胞膜之下——导致大个卵细胞和小个极体的产生。一半的染色体附着在纺锤体靠近细胞皮层的那一侧，因此注定会到极体上。第三是同源染色体着丝粒之间的功能不对称，自私的着丝粒更可能留在卵细胞内。着丝粒驱动依赖这些不对称的结合。纺锤体提供空间线索，指出哪一侧的染色体会进入卵细胞，哪一侧的染色体会进入极体，而自私的着丝粒与纺锤体相互作用，结果是它们优先定向，远离极体，朝卵细胞而去。
被迫生存
在卵生成时，只有一个减数分裂生成的单倍体细胞能存活下去。其他的细胞被称为极体，均会死去。这建立了一个“欺骗”或非随机分离的机会，譬如在减数分裂第一轮，当二价染色体被分为一对染色体，着丝粒背对细胞皮层的染色体将被保留在未来的卵细胞内。一个欺骗的例子就是，较大的着丝粒劫持附着纺锤体的机制导致它们优先背对细胞皮层
过去8年里，我和同事们使用小鼠来弄清这些动态变化，发现纺锤体的不对称确实是与细胞命运的不对称相结合的。此前的研究已经表明，一种叫作Ran的GTP酶通过GTP结合的激活是由染色体引起的，并会生成一个可扩散的信号，细胞皮层侦测到信号，结果使得细胞极化。另一个GTP酶Cdc42在纺锤体附近极化皮层上富集。2017年，我们表明纺锤体定位、极化触发的Ran信号、来自细胞皮层传回给纺锤体的Cdc42信号三个因素一起导致纺锤体内的不对称。这种纺锤体的不对称是基于微管蛋白翻译后修饰的差异，微管蛋白是构成微管的蛋白质。纺锤体靠近细胞皮层的那一侧有酪氨酸化α-微管蛋白富集，这种α - 微管蛋白含有C端酪氨酸；纺锤体靠近卵细胞的那一侧是去酪氨酸化α-微管蛋白富集，这种α - 微管蛋白的酪氨酸已经被一种肽酶除去。我们在一种杂交小鼠模型（将一个拥有较大着丝粒的品系与一个拥有较小着丝粒的品系杂交）中检验这种不对称的意义。杂交小鼠的雌性减数分裂中，同源染色体相互配对，较大和较小的着丝粒相互竞争，想要传递至卵细胞。我们的研究显示，较大的自私着丝粒利用纺锤体不对称来优先朝向纺锤体的去酪氨酸化的一侧，从而能注定进入卵细胞。
优先定向依赖第三种不对称：同源染色体着丝粒之间的功能差异。自私的着丝粒利用了已被充分研究的、在每次细胞分裂中防范分离差错的机制。譬如说，在有丝分裂时，姐妹染色体的着丝粒能附着相同的纺锤极，这个差错会导致两个姐妹染色体分离为一个子细胞。为了在分离发生前纠正错误，着丝粒的微管去稳定蛋白质调解促成纺锤体微管的分离，提供一个机会，让一个着丝粒能附着对面的纺锤极。2019年，我们的研究显示，杂交小鼠模型中的自私着丝粒招募了相比于同源染色体来说更多的去稳定蛋白质。从自私着丝粒的角度来看，附着在纺锤体靠近细胞皮层的那一侧是有害的，因为它通向的是极体。去稳定蛋白质优先让自私着丝粒脱离酪氨酸化的微管，重新定向，朝向纺锤体靠近卵细胞的那一侧，解决了这个问题。
抵御着丝粒驱动
我们依然不太清楚着丝粒驱动给有机体带来的适应性代价，但我们预计这些代价依赖同源染色体的成对着丝粒之间的功能差异：譬如，这些着丝粒与纺锤体微管的差异化相互作用可能导致分离差错。降低这些差别会减少有机体蒙受的适应性代价。
不同着丝粒的功能均等化可以两种方式发生：要么是削弱自私着丝粒招募去稳定蛋白质时利用的路径，要么是加强另一条在所有着丝粒中都均等的招募路径。此前的研究已经表明，去稳定蛋白质既能通过动粒，也能通过毗连着丝粒的异染色质来招募。我们的研究表明，自私着丝粒通过强化动粒路径来招募去稳定蛋白质，从而增加功能差异。相比而言，异染色质在我们模型系统的同源染色体的着丝粒中是对称的，暗示这条路径让着丝粒们更加相似。这些观察结果表明，让异染色质路径相对于动粒路径占优势的话，就会抑制着丝粒驱动。
为了在杂交小鼠模型系统中以实验方式检验这个想法，我们引进一个快速演化的着丝粒蛋白质多样变异体（CENP-C）。我们预计，多样变异体（取自大鼠）不会和参与动粒形成的小鼠蛋白质以最佳方式相互作用，从而削弱动粒路径。作为对于功能不对称的一个读数，我们测量成对同源染色体在减数分裂纺锤体上的位置。着丝粒功能相似时，染色体处在纺锤体赤道上，就像典型的减数分裂中期布局。着丝粒功能不同时，染色体不在纺锤体的中心。我们发现，当动粒路径被削弱时，染色体的位置更靠近纺锤体赤道，这与我们的预测一致，说明着丝粒在功能上变得更加相似。反过来，当我们通过敲除着丝粒蛋白质CENP-B（它对着丝粒附近异染色质的形成有贡献），借此削弱异染色质路径后，我们发现中体在功能上变得更加不同（也就是染色体的位置更加远离纺锤体的中心）。
因此，看来存在相互竞争的两种平行路径：自私着丝粒利用的着丝点路径，促进平等分离的异染色质路径。这意味着，通过削弱着丝点路径或者加强异染色质路径，这两条路径中的蛋白质都能演化抑制着丝粒驱动。我们通过比较研究中的鼠类基因组，在两条路径的成分中，都发现适应进化的特征，这与上述预测相一致，暗示多个着丝粒蛋白质的变化能抑制驱动的代价。
我们和其他研究团队的分析只是刚开始探索自私着丝粒DNA和快速演化的着丝粒蛋白质之间的遗传冲突。我们有用于实验的小鼠模型系统，有驱动和抑制的概念框架，我们知道着丝粒蛋白质中的哪些氨基酸变化有正向选择的特征。我们现在面临的挑战是如何设计实验，分析这些变化对功能造成的结果（可能很细微）。与此同时，其他研究者在继续使用沟酸浆作为研究这种遗传冲突的模型系统，利用前文提到过的这种植物的天然变异和强大的种群遗传学。而且这些不是能够驱动的唯一的染色体位点：玉米染色体结之类的位点为探索雌性减数分裂中独立于着丝粒的欺骗机制、抑制相关适应性代价的适应提供机会。
微生物病原体已经演化得能利用基本的细胞过程，譬如细胞骨架动力学、膜运输、信号转导和细胞周期，对于多种多样的病原体的研究已经推动细胞生物学的许多进步。相似地，研究着丝粒或其他自私位点，将其视作遗传冲突情境下的“病原体”，这能提供一个窥视染色体分离和遗传生物学的独特窗口。
资料来源 The Scientist
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本文作者迈克尔·兰普森（Michael Lampson）是宾夕法尼亚大学细胞生物学家。他的研究团队聚焦细胞分裂，生殖细胞系中的着丝粒功能和减数分裂驱动的细胞生物学。