两个主体与一个纽带——有性生殖周期

2020-2021年博古睿学者,北京大学生命科学学院教授。他是北京大学博古睿研究中心“博古睿讲座系列”的首讲嘉宾,也是在线平台“睿的n次方”的首位专栏作者,并给专栏起名《白话》。

2021-09-13 / 阅读时长 8 分钟
专栏 首发 白书农

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上一篇《无形—有形—无形—……》中,我们提到真核生物作为一个生命子系统/整合子存在的主体形式,已经不再是之前原核生物阶段的单个细胞,而是以可共享的多样化DNA序列库为核心、由单个细胞作为序列库中不同序列类型载体的“细胞集合”。由于单个细胞仍然是生命大分子网络的运行单元,因此在真核细胞中,出现了两个主体:一个是作为生命大分子网络运行单元的单个细胞,另一个是以可共享多样化DNA序列库为核心的“细胞集合”。这两个主体之间,通过一个特殊的纽带来关联。正是由于这种纽带的存在,细胞集合中的不同成员细胞之间才不至于如原核细胞分裂产生的细胞群体成员那样“相忘于江湖”,而是相互关联在一起,成为休戚与共的整合子存在主体。  

是什么样的“纽带”具有如此的魔力?

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要回答这个问题,我们首先要回到一个大家既熟悉、又陌生的生物学现象:细胞融合。说细胞融合,大家可能会觉得陌生。但如果说来自父母的精卵细胞融合形成合子,大家一定很熟悉。我们每个人来到这个世界上,都是以一次细胞融合作为起点的。可是,什么样的细胞可以融合,什么样细胞不能融合呢?背后的道理,生物学家其实也并不真正明白。

《既生瑜,何生亮》一文中,我们已经提到,真核细胞的起源与细胞融合有着不解之缘。但考虑到作为生命大分子网络动态单元的细胞,其适度的体表比是网络稳健性维持的关键要素[1],如果细胞随随便便就可以融合,细胞作为生命大分子网络动态单元的功能将无以为继,地球上的生命系统也就不大可能以细胞作为基本单位了。如同细胞分裂是在“正反馈自组织”属性驱动下、在细胞生长到一定程度才会发生那样,细胞融合,也一定是在特殊状态下诱发的结果。那么在什么情况下会诱发细胞融合呢?

另外一个大家既熟悉、又陌生的生物学现象也与“纽带”有关,那就是“减数分裂”。还是用我们每个人来到这个世界上的起点——合子,作为例子。对于我们人类这种生物而言,绝大部分细胞都是“二倍体”细胞。所谓“二倍体”细胞,指的是我们细胞中的染色体有两套。但前面提到的形成合子的精细胞和卵细胞的染色体却只有一套,是“单倍体”细胞。其中的道理说起来其实也很简单,那就是如果精细胞和卵细胞也是二倍体,那么它们融合之后所形成的合子细胞就变成4套染色体了。从目前人们对各种动物染色体的观察来看,人类所属的哺乳动物中,在自然界基本上都是二倍体。或许这是乐高积木零配件生产[2]和模型搭建需求之间相互匹配的结果。既然是一种存在,那么应该有它的道理。

姑且先不追究为什么自然界中哺乳类动物基本上都是二倍体,有一个很简单的问题就出来了:学过中学生物的读者一定都知道,一个二倍体细胞通过有丝分裂所形成的两个产物细胞仍是二倍体。人体大概有1011个细胞。这些细胞都是有丝分裂的产物。那么多细胞都通过有丝分裂产生了,为什么偏偏精卵细胞的发生却要通过减数分裂变成单倍体呢?

如果细心一点再多问一步:减数分裂的产物细胞还能不能再进行减数分裂呢?如果不能,那么减数分裂这种一次性发生的特殊细胞分裂形式为什么没有消失在演化历史中,而是一直保留到现在,被我们人类观察到的呢?

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上面这些细胞融合、减数分裂为什么会发生的问题,用人类或者人类所属的哺乳类甚至更早出现在地球上的昆虫、水螅这些多细胞真核生物作为研究对象,是难以找到答案的。原因很简单,在这些多细胞真核生物中的细胞融合、减数分裂发生的机制已经在多细胞化过程中重新构建,难以反映其发生之初的状况了。好在地球生物圈中还有一些仍然以单细胞形式存在的真核生物。虽然也是多少亿年演化的结果,与这些细胞行为最初发生的祖先相去甚远,但起码相比于多细胞真核生物生物,相似性应该更高一些。

的确,生物学家对单细胞真核生物的研究发现,为我们寻找上述问题的答案提供了非常有益的线索。在讨论这些发现之前,首先需要明确一点,即对于单细胞真核生物而言,很多都是以单倍体的状态存在(不像绝大多数的哺乳类动物都以二倍体状态存在)。也有的种类既以单倍体,也以二倍体状态存在。

在对酿啤酒的酵母的研究中,人们发现,在培养基养分充足的情况下,酵母可以以二倍体状态存在,并不断发生有丝分裂。可是一旦培养基中养分不足,这些二倍体细胞就不再进行有丝分裂,而是进行减数分裂。这种现象不是酿酒酵母所特有。在其他生物中都有观察报道。

在对光合自养的单细胞真核生物衣藻的研究中,人们发现,这种生物是典型的以单倍体状态存在的生物。在其生活的水体中不断有丝分裂(注意,虽然是单倍体,但不妨碍有丝分裂的进行)。可是,一旦水体中缺氮,这些单倍体细胞就不再进行光合作用,转而分化出一些特殊的结构,变成配子(精卵细胞的一般性叫法。或者说精卵细胞是形态上有显著差异的两种配子类型);一旦两种不同类型的配子相遇,就会发生细胞融合,形成合子。

从这些研究中,我们发现,减数分裂和配子形成,似乎都涉及它们生存所需的环境因子(或者“三个特殊”相关要素)的缺乏或者可获得性的恶化。我们前面讲过,细胞作为生命大分子网络的动态网络单元,网络运行所需的自由态的独立分子/要素作为生命系统的构成要素,它们的分布不仅受到细胞膜内网络的影响,还受到细胞膜外“三个特殊”相关要素分布的影响。“三个特殊”相关要素的缺乏怎么与减数分裂或者配子形成的诱导相关联的呢?

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我们先看减数分裂。减数分裂与有丝分裂最大的不同,其实并不只是其最终结果在细胞数(有丝分裂是一个细胞变两个,而减数分裂是一个变四个)和染色体数目上的差别,还有,可能是更重要的,是在减数分裂中,同源染色体[4]之间会发生位置交换。这种事件会导致DNA序列排列上的改变。有丝分裂过程中就没有这种事件。

在前文④中我们提到,真核细胞相比于原核细胞最大的不同,在于其生命大分子网络运行受到DNA序列更加严格的调控。其正效应在于稳健性增强,但其副作用在于应对“相关要素”变化的灵活性减弱。虽然,真核细胞以细胞集合作为整合子的主体形式可以化解灵活性减弱的副作用,但前提是细胞集合中不同成员细胞之间要存在DNA序列的多样性。这种多样性哪里来的呢?现在所了解的信息表明,除了DNA自身的随机变异或者周边物理化学因子的诱变之外,减数分裂是一种增加DNA序列变化的重要机制。减数分裂可以增加DNA序列的变化,自然也增加了应对“相关要素”变化的范围。这大概是“相关要素”缺乏与减数分裂诱导相关联的根本原因。

再看配子形成。就目前所知,配子是真核细胞的一种特化形式,其功能就是与其他类型的配子相遇,融合成为合子。一个有趣的现象是,无论单细胞还是多细胞,所有的真核生物中,起码有一种配子(有的是两种或多种)要经历一段或长或短的单细胞独立生存状态。为什么?

考虑到单倍体细胞是减数分裂的产物,而减数分裂的特点在于可以增加DNA变异。下面的问题是,减数分裂所产生的新的DNA变异中,哪些有助于增加系统的应变能力呢?

从配子的功能就是与其他类型配子相遇而形成合子这个前提我们可以发现,只有活下来的配子才可能有机会与其他类型配子相遇。换言之,减数分裂所产生的新的DNA变异中,只有那些能活下来与其他类型配子相遇的配子所承载的类型,才可能被保留下来,丰富可共享DNA序列库的多样性,增加细胞集合应对“相关要素”变化的灵活性!

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回到本文的主题——纽带。那个让细胞集合中的不同DNA多样性类型载体共享多样性DNA序列库的纽带是什么?就是由减数分裂、异型配子形成、和受精(异型配子融合形成合子)这三个在单细胞层面独立起源,但在细胞集合分化过程中彼此整合而成的独特过程。这个过程,我把它称为“有性生殖周期(sexual reproduction cycle,SRC)”[5]。这是一个特殊的细胞周期(这是学界对一次细胞分裂过程的另外一种称呼)。

与一般的细胞周期,比如有丝分一个细胞变成两个细胞裂的不同之处在于,在有性生殖周期过程中,先是一个二倍体细胞经过减数分裂变成4个单倍体细胞,然后,这4个单倍体细胞两两融合,最终结果还是两个二倍体细胞(图1)。在这个颇费周折的过程中,减数分裂被保留了下来,减数分裂所产生的DNA变化借配子存活被选择了出来,细胞集合中不同成员的DNA序列在受精的过程中实现了共享。

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图1-《两个主体与一个纽带》

图1.  有性生殖周期图示。棕黄色边的长方形表示二倍体真核细胞(中间黄色的椭圆表示细胞核)。一次有丝分裂可以由一个二倍体细胞变成两个二倍体细胞(由红色箭头和虚线表示)。但如果出现胁迫诱导,二倍体真核细胞可以进入减数分裂(meiosis,蓝色长方形表示),经异型配子形成(heterogametogenesis,浅绿色椭圆表示),受精(fertilization,即异型配子融合,红色长方形表示),最后形成两个二倍体真核细胞(整个过程用紫红色虚线表示)。但此时产物细胞的DNA序列可能会出现些许的变化。

就目前对地球生物圈不同生物类型的了解,有性生殖周期是真核生物共有的一个过程。正是以有性生殖周期为纽带,真核生物,无论是单细胞还是多细胞类群,其作为动态网络单元的细胞或者后面我们要谈到的多细胞个体之间,得以共享多元化DNA序列库,以细胞集合为单元,成为整合子存在的主体形式。在原核生物中,尽管细胞之间也可以发生DNA的交流,但那种交流无论从交流的发生还是交流的内容都是随机的。这与真核细胞中的有性生殖周期完全不能相提并论。

艺萌「睿ⁿ」 | 编


[1] 参见“白话”专栏《向肥皂泡里吹气会产生几种结果?》

[2] 参见“白话”专栏《乐高积木的零配件是怎么生产的?》

[3] 同源染色体:同源染色体是在二倍体真核细胞中,分别来自父母方的那对染色体。

[4] 参见“白话”专栏《既生瑜,何生亮》

[5] 参见Bai SN (2015) The concept of the sexual reproduction cycle and its evolutionary significance. Front. Plant Sci. 6:11. doi:10.3389/fpls.2015.00011;白书农 (2017) 有性生殖周期。植物学报 52 (3): 255-256

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