揭开生物学中不对称性的起源之谜

在生物学的各个尺度(比如分子、细胞和组织层面上),不对称性都扮演着重要的角色:试想一下DNA的双螺旋结构,干细胞的不对称分裂,以及人类的心脏位于左侧这一事实……但是,这些不对称性是如何出现的?它们又是如何相互联系的?这些都是生物学家一直想要解答的问题。

由生物学家Stéphane Noselli带领的团队在过去的数年中一直在研究左右不对称性,以致力于揭开这些谜团。生物学家已经发现了第一个在普通果蝇中控制不对称性的基因。最近,研究小组发现,这种基因在脊椎动物中扮演着同样的角色:它产生的蛋白质——肌球蛋白1D,控制着器官在相同方向上的盘绕或旋转。

在这项新的研究中,研究人员在果蝇的正常对称的器官(比如呼吸道)中诱导肌球蛋白1D的产生。令人非常惊叹的是,它足以在各种层面上引发不对称:变形的细胞、自我缠绕的气管、整个身体的扭曲,以及果蝇幼虫之间的螺旋状运动的行为。他们注意到,这些新的不对称总是朝着同一个方向发展。

肌球蛋白1D在所有层面上都造成了不对称,从肌动蛋白分子(红绿色的丝状结构)的运动到呼吸道(白色管状结构),再到机体本身(这里是果蝇幼虫)。| 图片来源:Ga?lle Lebreton (photo); Stéphane Noselli (editing) / iBV / CNRS

为了确定这些连锁反应的起源,宾夕法尼亚大学的生化学家们也参与了这项课题。在一片盖玻片上,他们将肌球蛋白1D与细胞骨架(细胞的“主干“)的一个组成部分——肌动蛋白相接触。他们观察到这两种蛋白质之间的相互作用能导致肌动蛋白呈螺旋形

除了在果蝇和脊椎动物的左右不对称中起作用外,肌球蛋白1D似乎是一种独特的蛋白质,它能在所有尺度上诱导自身的不对称。这种不对称首先出现在分子级别上,然后通过多米诺效应,出现在细胞、组织和行为水平上。这些结果为在进化过程中突然出现的新形态特征,提供了一种可能的机制,比如蜗牛身体的扭曲。因此,肌球蛋白1D似乎具有这种创新出现的所有必要特征,因为它的表达本身就足以在所有尺度上诱发转变。

译:糖兽