〈研之有物〉破解！玉米沒告訴你的「基因洗牌」關鍵

為什麼要研究植物「減數分裂」？

氣候變遷迫使農田休耕、作物歉收，人類需要體質更優良也更美味的作物。一直以來，科學家利用「遺傳育種」，從大自然的遺傳多樣性中，透過有性生殖篩選保留優良的基因組合。在中研院植物暨微生物研究所王中茹的實驗室裡，透過超高解析度顯微鏡觀察玉米染色體世界，正在破解同源染色體如何重組的謎團。其中，發現蛋白質 DSY2 是解開謎團的第一個線索。

每天一睜開眼，想到要去上班是什麼心情？對於王中茹與團隊而言，每天都是一個發現新事物的機會。在好奇心的驅使下，王中茹與博士班學生李頂華及團隊成員發現影響玉米染色體 DNA 交換的關鍵之一： DSY2 蛋白質。這個蛋白質參與生殖過程中減數分裂的「染色體互換」，讓基因有機會透過「天然洗牌」的方式，使玉米的下一代有更多變異，有機會長得更好、更能適應環境。

上千年來，人類一直藉由觀察植物的特性來選拔適合栽培的作物，近一百年來，則利用遺傳知識進行科學育種，主要為透過有性生殖的減數分裂來重組交換基因，藉由改變基因組成，挑選出更優秀的品系，稱為「遺傳育種」。

約三十年前，隨著基因轉殖技術的發展，科學家得以將來自於不同物種的 DNA 片段，殖入作物的基因組內藉以調整作物的某些特性，就是俗稱的「基因改造」。近五年發展出 CRISPR/ Cas9 基因編輯技術，可以針對原有的特定基因改變部分 DNA 序列而微調其功能，稱為「基因編輯」。只要後續利用減數分裂，將誘導 DNA 序列改變的編輯器去除，這樣的品系將不帶有外來物種的 DNA 片段，因此學術界與官方管理單位傾向認定這類產品是「非基改作物」。這些技術皆改變了部分的基因組成，使農作物更優良。

在可見的未來，面臨人口爆炸、氣候變遷造成作物歉收的情況，科學家無不積極面對這嚴峻的挑戰，希望能讓作物便利種植、耐旱抗蟲害、產量大增還能保持美味。以目前全球產量最多的作物玉米為例，從 1960 年代迄今，國際間隨著農業技術進步、殺蟲劑與肥料的運用、及育種技術的創新，玉米產量節節升高，但價格也不斷攀升。估計到 2050 年全球的玉米產量需要再增加七成，才得以應付世界的變化。

儘管新興的「基因編輯」技術引起廣大注意，並預期會帶來革命性的影響，但是傳統「遺傳育種」的地位仍不可取代。由於大多數高產量或其他複雜的作物特性，往往是由許多基因相互作用的結果，因此這類的改良目前仍依靠「遺傳育種」技術為主。然而，即使是在基因體解碼的後基因體時代，遺傳育種仍因為減數分裂中染色體重組的天然限制而效率不彰。如何運用減數分裂的奧妙，控制遺傳重組的「位置」和「數目」，是目前一個重要的研究方向，也是王中茹團隊投入的研究領域。

染色體互換 攸關今生基因拿到什麼牌

有句名言說道「人生不在於手握一副好牌，而是打好你手上的牌」，但無論是人類或玉米，當爸媽的生殖細胞進行減數分裂，在染色體重組並隨機分配時已決定一部分基因組合；接著精細胞與卵細胞有緣相遇時，就完全決定今生拿到的基因牌組。

為何我從爸爸那遺傳到爺爺的自然捲、奶奶的大眼睛，但是沒有遺傳到爺爺的長睫毛、奶奶的挺鼻子？因為爸爸的染色體也是爺爺和奶奶給的，在爸爸的精細胞進行減數分裂時，爺爺奶奶的染色體互換重組，並且最後只留一組染色體在爸爸精細胞中，再搭配上媽媽送的另一組染色體，就組合成「我」的遺傳藍圖。

基因「天然洗牌」重組的過程中，在同一條染色體上的「好基因」與「壞基因」可藉著重組而打散，不再一起代代相傳。基因若能拿到好牌，表現在人類上，也許會是高顏值，表現在玉米上，也許會是又大又香甜又好種。

打斷手骨顛倒勇 打斷 DNA 洗好牌

在生殖母細胞減數分裂的階段，同源染色體必須互相配對，才能正確地在接下來的過程中兩兩分離。在配對時，每對染色體（也就是一條來自爸爸，一條來自媽媽）會先在染色體的許多地方發生「DNA 雙股斷裂（DSB）」，從分子生物學的角度來看，這是相當危險的行動，因為 DNA 是生命的遺傳藍圖，可不能隨便斷裂損傷！

但減數分裂是個獨特的過程，染色體為了正確遺傳到下一代（也就是同一對染色體，只傳一條到生殖細胞中），勇敢地自斷手腳，為了正確配對而去尋找另一條同源染色體上可以互換的 DNA 。這些 DNA 斷裂的位置，有機會成為最終染色體互換的位置，基因重新組合後的兩條染色體，再平均分到細胞中。

計畫性地打斷 DNA 非同小可，可以想見細胞在這過程中必須有很嚴密的控制，比如說：何時打斷 DNA、打斷的位置和數目，以及確保所有 DNA 斷裂最後都被完整修復。另外，在眾多 DNA 斷點中，每對染色體通常只會發生一至兩個互換，而且最終互換的位置往往位於染色體的末端區域。

為此，世界各國的科學家與王中茹研究團隊，希望能找出決定 DNA 斷裂的關鍵、和最終控制染色體互換位置的機制，也許有機會讓原本不會互換的染色體區段，也能發生基因重組。

影響玉米基因洗牌 發現關鍵角色 DSY2

「在哪裡～在哪裡～不要隱藏你自己～」就像警方追查一個案件的發生，要找到關鍵人物一樣，科學家為了追查染色體互換的源頭，也是煞費苦心。2015 年王中茹研究團隊發現，影響玉米得以發生基因洗牌的關鍵角色之一，就是一種名為 DSY2 的蛋白質。

DSY2 蛋白質不僅影響 DNA 打斷的發生，也參與另一個重組互換中的重要過程：聯會。當同源染色體靠著 DSB 在細胞核中找到彼此時，另一群蛋白質（其中以 ZYP1 為主要）會形成拉鍊般的結構，把兩條染色體緊緊拉在一起，好讓染色體完成互換，並且修復所有的 DSB。這個拉鍊般的構造，稱為聯會複合體（synaptonemal complex）也會影響互換的發生。

王中茹研究團隊發現 DSY2 蛋白質也是聯會複合體是否可以成功組裝的關鍵。若把 DNA 片段想像成要跳到另一條同源染色體攻城，中央蛋白 ZYP1 是負責在護城河搭橋的士兵，而 DSY2 蛋白質是引導這一切得以實現的軍師。

如果造物主限制染色體互換的區段和數目是關上一道門的話，王中茹研究團隊的發現彷彿為玉米界的減數分裂互換開了一扇窗。此研究成果被刊登在國際期刊《植物細胞》（The Plant Cell），並獲美國農業部「玉米基因組研究資料庫 MaizeGDB」評鑑為重要的科學發現。透過對 DSY2 功能的更多分析，研究團隊正逐步了解 DSB 的決定因子和聯會在重組上的調控。只要了解玉米的染色體重組機制後，就能實驗如何操控這些蛋白質影響基因「天然洗牌」重組，或許能發展出育種上有用的策略，成為未來解決糧食危機的機會。

基礎研究不一定能應用，但如果不從基礎開始，就像房子沒有了地基，何來的創新應用。──中研院植物暨微生物所 王中茹

原文連結：破解！玉米沒告訴你的「基因洗牌」關鍵

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• 玉米染色體有什麼好看？專訪細胞遺傳學家王中茹
• 王中茹的個人網頁
• Olympus BioScapes International Digital Imaging Competition
• The Axial Element Protein DESYNAPTIC2 Mediates Meiotic Double-Strand Break Formation and Synaptonemal Complex Assembly in Maize
• High-Resolution Single-Copy Gene Fluorescence in Situ Hybridization and Its Use in the Construction of a Cytogenetic Map of Maize Chromosome 9