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.2018年1月18日；553(7688):337-341.
doi:10.1038/nature25188。 Epub 2018年1月10日。

父系染色体丢失和代谢危机导致非洲爪蟾杂种不可见

罗曼·吉博克斯 1, 拉查尔·阿克 1, 北冈美子 1, 乔治奥·乔治奥 2, 伊拉·范克鲁伊斯伯根 2, 布瑞娜·福特 三, 爱德华·马科特 4, 丹尼尔·野村 三, 跆拳道 5, 格特·扬·维恩斯特拉 2, 丽贝卡·希尔德 1
附属公司

父系染色体丢失和代谢危机导致非洲爪蟾杂种不可见

罗曼·吉博克斯等。 自然. .

摘要

来自近亲物种的卵子和精子的杂交可以产生遗传多样性，或者由于不亲和性导致胚胎不可移植。尽管对进化至关重要，但导致生殖隔离和物种形成的合子后障碍背后的细胞和分子机制在很大程度上仍然未知。非洲爪蟾物种为研究杂交和基因组进化提供了一个理想的系统。非洲爪蟾（Xenopus laevis）是一种异源四倍体，有36条染色体，是通过二倍体祖细胞的种间杂交产生的，而热带爪蟾是一种二倍体，具有20条染色体，约4800万年前从一个共同祖先那里分化而来。两个物种基因组大小的差异伴随着生物体大小的差异，以及卵子的大小缩放和亚细胞结构，如卵子提取物中形成的细胞核和纺锤体。然而，早期发育转录程序、基因表达模式和蛋白质序列通常是保守的。当非洲爪蟾卵被热带爪蟾精子受精时产生的杂种是可行的，而反向杂种则在原肠胚形成之前死亡。在这里，我们应用细胞生物学工具和高通量方法来研究杂交不可见性的机制。我们发现，两条特定的非洲爪蟾染色体与热带爪蟾细胞质不相容，并且在有丝分裂过程中发生了错配，导致母体到合子过渡期基因表达不平衡，继而导致细胞自主灾难性胚胎死亡。这些结果揭示了由基因组进化驱动的杂交不亲和性的细胞机制，并有助于生物种群成为不同物种的过程。

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作者声明没有竞争性的经济利益。

数字

扩展数据图1
扩展数据图1。微核的发生、倍性和纺锤结构的作用
a、，微核t吨e（电子）×我秒不同发育阶段的杂种胚。在t吨e（电子）×我秒在第4、6、7、8和9阶段使用抗组蛋白H3抗体并在b中定量的杂交胚胎。比例尺为10μm。b、，微核定量t吨e（电子）×我秒杂交胚胎。微核百分比的计算方法为胚胎成像部分的微核数除以同一成像部分的细胞核总数。第4阶段多个胚胎的平均百分比（n=18t吨e（电子）×我秒来自3个独立实验的杂交胚胎（单个点），共63个核，阶段6（n=17/115），阶段7（n=9/322），阶段8（n=8/1119）和阶段9（n=3/2004）显示为粗线。灰色方框表示平均值的标准误差为1。控制十、热带对来自同一母亲的胚胎进行了分析，但在任何阶段均未观察到微核。c、，核尺寸in十、热带具有不同倍性的胚胎。绘制三倍体细胞核相对于细胞大小的大小（直径以μm为单位）(tt公司e（电子）×t吨秒; 深灰色，n=175个来自6个胚胎的细胞核），二倍体(十、热带，t吨e（电子）×t吨秒; 蓝色，n=453/9）和单倍体(t吨e（电子）×[t吨秒]; 浅灰色，n=346/16）胚胎。每个点表示一个单独的数据点，实线表示线性拟合。日期：， 热带X在尾芽期具有不同倍性的胚胎。三倍体图像(tt公司e（电子）×t吨秒; 左）和单倍体(t吨e（电子）×[t吨秒]; 右）在相同条件下取尾芽。类似的观察结果超过了3个独立实验。e、，中的大小和微管分布十、热带由不同胚胎细胞核DNA组装而成的纺锤体（n=147、103和156个纺锤体十、热带，我e（电子）×t吨秒混合动力，以及X·莱维斯胚胎细胞核分别来自3种不同的卵子提取物）。主轴长度（左）和宽度（中）标准化为十、热带控件中，平均值显示为粗黑线，灰色框表示1个标准偏差。长度的95%置信区间为1±0.02t吨e（电子）×t吨秒，1.05±0.03适用于我e（电子）×t吨秒和1.03±0.02我e（电子）×我秒宽度为1±0.04、1.3±0.07和1.4±0.04。沿着纺锤体长度进行罗丹明-管蛋白信号的线扫描（右）。主轴长度标准化为100%，微管蛋白强度在数据集中标准化。绘制了三种主轴类型的平均强度，误差条表示标准偏差，颜色如图2a所示。
扩展数据图2
扩展数据图2。微核特性t吨e（电子）×我秒杂交胚胎与胚胎死亡
a、，微核包膜破裂t吨e（电子）×我秒杂交胚胎。在t吨e（电子）×我秒杂交胚胎使用YO-PRO DNA染料（顶部）和抗拉明B1抗体（中部），相应的通道分别显示为绿色和品红色。合并的图像如下所示。对5个不同胚胎内的25个微核进行了分析。在所有分析的胚胎中观察到完整（左）和破损（右）的包膜。比例尺为10μm。b、，DNA损伤t吨e（电子）×我秒杂交胚胎微核。全胚胎免疫荧光在t吨e（电子）×我秒使用抗组蛋白H3（顶部）和抗γH2A的杂交胚胎。X（中间）抗体，相应的通道分别以绿色和品红色显示。合并图像如下所示。对6个不同胚胎的21个微核进行了分析。在所有分析的胚胎中观察到微核DNA未受损（左侧为γH2A.X信号阴性）和受损（右侧为γH2A.X信号阳性）。微核的放大图像显示在每个图像的右侧。比例尺为10μm。c、，凋亡的TUNEL分析十、热带和t吨e（电子）×我秒杂交胚胎。十、热带（左），十、热带如图所示，用环己酰亚胺（左中）或羟基脲（右中）处理，以及t吨e（电子）×我秒杂交（右）胚胎制备用于TUNEL分析5 hpf（等效期9；顶部）、7 hpf（等价期10；中部）和9.5 hpf（当量期10.5；底部）。在3个不同的实验中获得了相同的结果。显示了具有代表性的图像，并在相同的条件下拍摄。
扩展数据图3
扩展数据图3。全基因组测序tt公司e（电子）×我秒挽救的胚胎和代谢组分析t吨e（电子）×我秒和t吨e（电子）×b条秒杂交胚胎
a、，4个基因的基因组tt公司e（电子）×我秒挽救的胚胎被测序、比对，并与十、热带（蓝色）和X·莱维斯（绿色）区分了亚基因组S和L（S为浅绿色，L为深绿色）。基因组中代表性不足的区域用黑色进行颜色编码。这个tt公司e（电子）×我秒胚胎基因组1-2来自尾芽，3-4来自蝌蚪。b、，代谢物在t吨e（电子）×我秒混合型和十、热带受精后7小时胚胎。在检测到的179种代谢物中，有17种在t吨e（电子）×我秒杂交胚胎（p<0.05；双尾同方差t检验；单个p值如图3c源数据所示），并显示为与热带X控制（蓝色虚线）。水平分别从3个独立施肥的5个样品中获得。的值t吨e（电子）×我秒杂种用橙色绘制。平均值显示为粗线，灰色框对应1个标准偏差。95%置信区间从左至右为0.69±0.24、0.46±0.26、0.16±0.16、0.68±0.18、0.70±0.21、0.58±0.25、0.10±0.09、0.42±0.19、0.38±0.27、0.79±0.15、1.61±0.61、1.47±0.33、1.58±0.33，0.83±0.11、0.71±0.18，0.70±0.19和0.53±0.08。p值低于缺陷Bonferroni校正阈值（n=12）的代谢物标记为橙色。c、，代谢物在t吨e（电子）×b条秒混合型和十、热带受精后7小时胚胎。在检测到的241种代谢物中，有17种在t吨e（电子）×b条秒杂交胚胎（p<0.05；双尾同方差t检验；图4g源数据中提供了单个p值），并显示为与十、热带控件（蓝色虚线）。分别从3个独立施肥的5个样品中获得水平。的值t吨e（电子）×b条秒杂种用紫色绘制。平均值显示为粗线，灰色框对应1个标准偏差。95%置信区间从左到右依次为0.73±0.12、0.44±0.26、0.80±0.10、0.61±0.21、0.78±0.14、1.86±0.9、2.33±1.33、2.07±1.07、2.07？.17、0.63±0.19、0.59±0.16 0.61±0.25、1.39±0.37、1.51±0.38、1.24±0.14，1.21±0.18和1.14±0.10。p值低于缺陷Bonferroni校正阈值（n=3）的代谢物标记为紫色。
扩展数据图4
扩展数据图4。微核特性t吨e（电子）×b条秒杂交胚胎
a、，DNA损伤t吨e（电子）×b条秒杂交胚微核。在t吨e（电子）×b条秒使用抗组蛋白H3（左）和抗γH2A的杂交胚胎。X（中间）抗体，相应的通道分别以绿色和品红色显示。合并后的图像显示在右侧。对8个不同胚胎的34个微核进行了分析。在所有分析的胚胎中都观察到DNA受损的微核。微核放大图像以相同的从左到右顺序显示在右侧。比例尺为20μm。b、，微核t吨e（电子）×b条秒处于不同发育阶段的杂交胚胎（上图）。在t吨e（电子）×b条秒在第6、7、8和9阶段使用抗组蛋白H3抗体的杂交胚胎。比例尺为20μm。微核定量t吨e（电子）×b条秒杂交胚胎（下图）。微核百分比的计算方法为胚胎成像部分的微核数除以同一成像部分的细胞核总数。第6阶段多个胚胎的平均百分比（n=5t吨e（电子）×b条秒杂交胚胎（单个点）共有125个核）、第7阶段（n=7/153）、第8阶段（n=0.9/731）和第9阶段（n=10/2691）显示为粗线。灰色方框对应于平均值的1个标准误差。控制十、热带对来自同一母亲的胚胎进行了分析，但在任何阶段均未观察到微核。c、，微核大小t吨e（电子）×b条秒和t吨e（电子）×我秒混血儿。大小绘制为微核体积与其对应细胞核体积之间的比率。每个点代表一个单独的数据点（36个点中的n=329个微核t吨e（电子）×b条秒胚胎显示为紫色，17个胚胎中n=100t吨e（电子）×我秒胚胎显示为橙色，来自4个独立实验）。粗黑线表示平均值，灰色方框对应1个标准偏差。95%置信区间为2.9±0.36%t吨e（电子）×b条秒和1.6±0.28%t吨e（电子）×我秒胚胎。使用双尾异方差t检验显示了统计显著性。
图1
图1。的角色拉埃维斯X.laevis基因组t吨e（电子）×我秒杂交胚胎死亡
a、，的示意图X·莱维斯和十、热带交叉受精结果。b、，发展时机热带X和t吨e（电子）×我秒杂交胚胎。绘制每个时间点的平均值。误差条显示标准偏差。c、，的代表性图像十、热带和t吨e（电子）×我秒b（n=16）实验中第3和第10阶段的杂种胚胎十、热带且n=16t吨e（电子）×我秒来自4个独立实验的杂交胚胎）。箭头指示死亡起始的植物细胞。日期：，动物帽试验示意图和隔离后2、9和16小时的图像。对6个动物帽进行了成像，在3个不同的实验中获得了相同的结果。c和d中的比例尺，200μm。e、，受精后单倍体表型的图像十、热带带有紫外线照射精子的卵子。在n=3个实验中观察到相同的结果。f、，Time-lapse images of dividing cell in at吨e（电子）×我秒杂交动物帽（视频5）。箭头表示染色体错配。在n=3活细胞中观察到错配染色体t吨e（电子）×我秒杂交动物帽子在3个实验中。时间单位为mm:ss。克，免疫荧光图像显示染色体桥、染色体错配和微核t吨e（电子）×我秒杂交胚胎。f和g中的比例尺为10μm。n=81的量化十、热带且n=78t吨e（电子）×我秒从3个实验获得的4个数据集中，分别获得n=17和16个胚胎的杂交后期，其平均值为±1标准差，经Fisher 2×3列联检验，差异显著（p=0）。微核定量t吨e（电子）×我秒杂交胚胎详见扩展数据图1b。
图2
图2。的兼容性X·莱维斯染色体十、热带细胞质
a、，周围形成的纺锤的荧光图像十、热带，我e（电子）×t吨秒混合动力，以及X·莱维斯染色体十、热带鸡蛋提取物。比例尺，10μm。n=147、103和156轴的量化十、热带，我e（电子）×t吨秒混合动力，以及X·莱维斯扩展数据图1e分别显示了来自3种不同鸡蛋提取物的胚胎细胞核。b、，的荧光图像X·莱维斯复制后的染色体进行CENP-A或Ndc80染色拉埃维斯X.laevis或十、热带鸡蛋提取物。CENP-A和Ndc80标记从6个实验（2个技术复制中的3个生物复制）中进行量化，共有1792条染色体和1959条染色体，分别位于X·莱维斯提取，n=2692和n=1930，in十、热带摘录。比例尺，5μm。方框图显示6个实验百分比作为单独的数据点，其平均值为粗线，1个标准偏差为灰色方框。95%置信区间为96.2±1.9%inX·莱维斯提取物vs.82.7±5.7%in热带XCENP-A提取物和Ndc80提取物分别为83.5±6.1%和71.1±6.0%。P值通过双尾异方差t检验确定。c、，全基因组测序数据圆图t吨e（电子）×我秒杂交胚胎与十、热带（蓝色）和X·莱维斯（绿色），黑色为代表性不足的基因组区域。日期：，染色体3L和4L断点的扩展视图，在两个生物复制中显示缺失区域。
图3
图3。基因表达和代谢变化t吨e（电子）×我秒杂交胚胎死亡
a、，极体抑制实验示意图和图像tt公司e（电子）×我秒受精后24h和48h挽救胚胎（hpf）。总共9个tt公司e（电子）×我秒在4个不同的实验中获得了胚胎。b、，核尺寸方框图（3个核中的n=988个核tt公司e（电子）×我秒胚胎和3个n=777十、热带第21期胚胎的平均面积显示为粗线条，1个标准差显示为灰色方框。95%置信区间为98.1±2.2μm2对于tt公司e（电子）×我秒和78.0±1.7μm2对于十、热带胚胎。P值通过双尾异方差t检验确定。c、，179种代谢物在十、热带和t吨e（电子）×我秒杂交胚7个。从3个独立施肥的5个样本中获得水平，每个样本平均并绘制为Log2控制比率（见方法）。使用双尾同方差t检验计算P值。差异代谢物的平均值和1个标准偏差如图3b所示，95%置信区间如扩展数据所示。日期：，之间的差异基因表达t吨e（电子）×我秒和t吨e（电子）×t吨秒（见方法）。所有检测到的转录本（n=8379）均以蓝色绘制。与染色体3L和4L（n＝270）丢失的基因相对应的转录物以绿色绘制。e、，代谢基因在t吨e（电子）×我秒和t吨e（电子）×t吨秒（见方法）。差异表达的代谢转录物（n=165）以橙色绘制，所有检测到的转录物（n=8379）以蓝色绘制（顶部），差异表达的新陈代谢转录物位于染色体3L和4L（n=35）以绿色绘制（底部）。
图4
图4。外胃泌素中的染色体丢失t吨e（电子）×b条秒杂交胚胎
a、，的示意图北极狐和十、热带交叉受精结果。b、，的代表性图像t吨e（电子）×t吨秒与。t吨e（电子）×b条秒24hpf的胚胎。这一结果在4个单独的实验中重现。比例尺，200μm。c、，免疫荧光图像t吨e（电子）×b条秒24hpf的杂种胚显示细胞核和微核。在此阶段，在6个不同的胚胎中观察到类似的缺陷。日期：，免疫荧光图像显示染色体桥、染色体错配和微核t吨e（电子）×我秒杂交胚胎。比例尺，20μm。n=33的量化热带X和63t吨e（电子）×b条秒通过Fisher 2x3列联检验，n=6和12个胚胎的杂交后期表现出显著差异（p=0）。微核定量t吨e（电子）×b条秒杂交胚胎详见扩展数据图4b。e、，全基因组测序数据圆图t吨e（电子）×b条秒杂交胚胎与十、热带（蓝色）和北极狐（紫色）。代表性不足的基因组区域（黑色）占4L染色体的9.674%，8L染色体的74.66%，1S染色体的4.71%，5S染色体的14.4%。f、，染色体1S、5L、4L和8L断点的扩展视图，在三个生物复制中显示缺失区域。克，中241种代谢物的水平热带X和t吨e（电子）×b条秒杂交胚胎7 hpf（见方法）。从3个独立施肥的5个样本中获得水平，每个样本平均并绘制为Log2控制比率（见方法）。使用双尾同方差t检验计算P值。差异代谢物的平均值和1个标准偏差如图3c所示，95%置信区间如扩展数据所示。注意，很少有代谢物发生显著变化，与t吨e（电子）×我秒混合（参见扩展数据图3b–c）。
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