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有性生殖在真核生物的繁衍與演化中扮演著重要的角色，其在不同物種中表現出豐富的多樣性。關于有性生殖的調控過程，盡管在動物、植物和真菌等真核生物中均有研究，但系統性的、深入到分子機制層面的研究僅局限在少數生物中。模式生物四膜蟲是一種具有七種性別（交配型）的原生動物，代表了一類進化上起源較早的單細胞真核生物。其作為模式生物的特點及其進化地位，為系統、深入地闡明真核生物早期分化類群的有性生殖調控過程，探討真核生物有性生殖的起源與演化提供了機會。
中國科學院水生生物研究所繆煒研究員團隊對四膜蟲有性生殖的調控開展了十多年的系統研究。相繼發現了四膜蟲交配型決定基因（PLOS Biology,2013）并揭示了其起源與演化規律（iScience,2021），解析了多個細胞周期蛋白、周期蛋白激酶和轉錄因子在有性生殖減數分裂過程中的調控作用（JCS,2020;Cell cycle,2016a/b/c,2018）。近期，通過對四膜蟲有性生殖調控過程的持續研究，團隊在交配型識別、有性生殖起始和減數分裂同源重組三個方面取得了重要研究進展（圖1），為解答真核生物性別起源、同性和異性識別等重要的進化生物學問題提供了線索。
圖1? 四膜蟲生活史及有性生殖調控網絡研究進展
1.性別產生之前真核生物如何進行有性生殖？
真核生物具有有性生殖的標志是減數分裂。由于減數分裂相關基因在真核生物普遍存在并具有保守性，說明減數分裂起源早，在真核生物共同祖先中已存在。而不同的生物，采用的性別決定基因具有很大差別，說明性別在進化上產生較晚且在不同真核生物類群中具有較大差異。而進化上從減數分裂起源到第一次性別產生的中間狀態，真核生物如何進行有性生殖并不明確。相關假說認為在此期間，真核生物采用單性生殖，即同種細胞配對（自交，selfing）。
水生所繆煒團隊近期在對四膜蟲有性生殖起始過程研究發現，名為CIP1的單一基因的缺失可使四膜蟲跳過交配型識別過程而直接啟動減數分裂。研究發現敲除CIP1導致交配型識別的自交規避功能喪失。CIP1通過抑制細胞周期蛋白-周期蛋白激酶復合體（CDK19-CYC9）阻止有性生殖的啟動，負責將有性生殖起始與交配型識別兩個過程相耦聯。這一結果表明單個基因的起源這類簡單的進化事件即可導致生物從自交變為不同性別的異交。這一結果支持真核生物祖先采用自交（單性）進行有性生殖。
近日，這一工作以“Cip1,a CDK regulator,determines heterothallic mating or homothallic selfing in a protist”為題在線發表于PNAS雜志。水生所馬揚博士和閆冠雄博士為該文共同第一作者，繆煒研究員為通訊作者。
圖2真核生物有性生殖起源假說示意圖
2.單細胞生物如何識別同性和異性？
盡管大多數常見的生物僅具有兩種性別（雌/雄、+/-、a/α等），多性別的物種同樣普遍存在于自然界中，如一些原生動物纖毛蟲（Ciliates）和擔子菌（basidiomycetes）。模式纖毛蟲嗜熱四膜蟲具有七種交配型（I-VII）。繆煒研究員團隊前期與加州大學圣塔芭芭拉分校Eduardo Orias教授合作發現，這七種交配型的分子基礎為MTA和MTB兩個蛋白家族。然而，七種交配型之間如何進行同性和異性的識別依然是懸而未決的問題。
近期，通過與華中農業大學殷平教授團隊合作，發現四膜蟲交配型識別過程中，MTA和MTB并非進行簡單的配體-受體反應，而是與一系列蛋白共同形成一個巨大的復合體來行使功能。該復合體定位于細胞表面而非纖毛表面，且圍繞在纖毛周圍，沿纖毛列排布。該復合體一方面可以識別同性從而抑制配對，另一方面可以識別異性從而激活配對，即同時具有自我識別和非自我識別的能力。
相關工作以“A seven-sex species recognizes self and non-self mating-type via a novel protein complex”為題發表于eLife雜志。水生所閆冠雄博士為該文第一作者，水生所繆煒研究員與華中農業大學殷平教授為共同通訊作者。
圖3四膜蟲交配型識別模型
3.沒有聯會復合體的生物有著怎樣的減數分裂同源重組模式？
減數分裂同源重組是有性生殖的一個重要過程，不僅能夠確保親本的染色體正常地分配到配子中，而且影響基因組的多樣性和生物的適應性演化，因此長期以來同源重組一直是生物學研究的熱點，然而在古老的進化分支如單細胞原生動物纖毛蟲中的減數分裂重組模式卻鮮有報道。
繆煒研究員團隊以高密度的單核苷酸多態性位點（3.8 SNPs/kb）作為分子標記，在嗜熱四膜蟲38個雜交后代中共檢測到1,021個交叉互換（Crossover）事件，對應基因組重組率為9.9 cM/Mb，該重組率遠高于人、小鼠和擬南芥等高等動植物；但基因轉換（Gene conversion）事件較為罕見，每次減數分裂僅1.03個，且不存在G/C偏好性轉換；未發現明顯的交叉干擾跡象，可能與四膜蟲減數分裂過程缺乏聯會復合體有關；此外，重組熱點常出現在著絲?；騺喍肆^域，并且與響應環境變化的基因密切相關。該研究解析了聯會復合體缺失物種的減數分裂同源重組模式，為染色體交叉互換的調控機制及重組機器在不同生物類群中的演化機制提供了新的視角和研究方案。
該研究工作以“The genome-wide meiotic recombination landscape in ciliates and its implications for crossover regulation and genome evolution”為題并作為封面論文發表于Journal of Genetics and Genomics雜志。水生所付露博士為該論文第一作者，繆煒研究員和王光營博士為共同通訊作者。
圖4 ?Journal of Genetics and Genomics 2024年第51卷第3期封面
上述三項工作得到了國家重點研發計劃、中國科學院先導專項、中國科學院基礎前沿科學研究計劃“從0到1”原始創新項目和國家自然科學基金的資助，以及水生所分析測試中心、中國科學院超級計算武漢分中心和國家水生生物種質資源庫的支持。美國杜克大學孫晟副教授，美國加州大學圣塔芭芭拉分校Eduardo Orias教授、Eileen P. Hamilton博士，法國蒙彼利埃大學國家科學研究中心人類遺傳學研究所Kazufumi Mochizuki教授參與了相關工作并提出了寶貴意見。
文章鏈接：
PNAS論文： https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2315531121
eLife論文：https://elifesciences.org/reviewed-preprints/93770
Journal of Genetics and Genomics論文：https://doi.org/10.1016/j.jgg.2023.09.013