米乐m6中国官方网站 发现基因的功能缺陷常常是显性遗传的

杂合子，也称为杂合子，是指二倍体生物中遗传位点具有不同等位基因（例如 Aa）的情况。如果A是功能等位基因，a是功能丧失突变，则突变(a)将被具有功能(A)的等位基因补偿，因此预计不会出现功能丧失表型（不是显性遗传）。尽管如此，出现基因功能缺陷的表型（显性遗传）的现象是单倍体不足（注9）并被认为是一种特殊的遗传现象（图1）。

东京大学前沿科学研究生院特聘研究员Shinsuke Onuki和Teiichi Oya教授（米乐m6官方网站客座研究员、东京大学先进操作测量技术开放创新实验室）研究小组对必需基因杂合突变体的单细胞形态表型进行了高维度和全面的研究被称为模型真核生物的酿酒酵母发现单倍体不足绝不是一种特殊的遗传现象。酿酒酵母有 1,112 个必需基因，而缺乏所有必需基因 59%（657 个基因）的突变菌株表现出与野生型菌株不同的细胞形态，表明单倍体不足（图 2）。换句话说，近60%的必需基因的功能缺陷是显性遗传的。

与传统观点相反，基因的功能缺陷常常是显性遗传的，这一事实具有重要意义。例如，即使在具有一个疾病基因拷贝的携带者中也出现特征表型，这一事实可能导致识别疾病基因的存在并预防疾病。此外，由于功能缺陷突变（被认为可以通过功能等位基因补偿）是显性遗传的，因此显性和隐性之间的优劣概念可能会被重置。

显性遗传和隐性遗传原本是格雷戈尔·孟德尔制定的并已成为现代遗传学的基本概念。长期以来，人们一直认为基因的大多数功能缺陷都是以隐性方式遗传的。单倍体不足是一种罕见的现象，其中基因的功能缺陷是由于杂合子中的功能缺失突变而显性遗传的（图1），并且首先在果蝇中进行了研究。表现出单倍体不足的基因引起了人们的极大兴趣，因为越来越清楚的是，单个等位基因拷贝的丢失会导致人类疾病，包括癌症、肿瘤形成、发育和神经系统疾病。特别是，许多研究人员对基因组中存在多少表现出单倍体不足的基因感兴趣。

在这项研究中，我们使用酿酒酵母的二倍体菌株，以细胞形态为指标，研究有多少必需基因表现出单倍体不足。为了最大限度地减少收集形态数据时由于条件不匹配而导致的变异性，使用自动图像分析系统在早期对数阶段的精确时间收获在完全培养基中培养的酿酒酵母。CalMorph分析了每种突变株的 200 多个细胞。 （注10）。通过利用CalMorph内置的自动图像分类器和分类器，我们能够获得高质量的501维形态学信息。结果，59% 的必需基因缺陷菌株至少在一种形态特征上表现出异常 (罗斯福=1%，注11)，当我们通过在基本培养基中培养添加显示单倍体不足的基因时，总共检测到75%显示单倍体不足的基因（图2）。考虑到之前的研究中以细胞增殖率为指标计算的单倍体不足的基因比例为9%，这一数字表明极大量必需基因的功能缺陷是显性遗传的。这一结果并不是由于对表型的高估。随机(注12))时得到的结果与野生型重复实验的结果几乎相同。

为了找出为什么必需基因中如此多的功能丧失突变是显性遗传的，我们研究了密切代表形态和表型特征的性状。关于酿酒酵母的细胞形态数量性状（注释 13）具有表示平均值的特征、表示比例的特征以及表示方差的特征。例如，在与子细胞大小相关的性状的情况下，子细胞大小的平均值、没有子细胞的细胞比例以及子细胞大小的方差值分别对应。通过使用大量代表方差的性状，我们发现许多必需基因的功能缺陷是显性遗传的（图3）。代表分散度的性状是通过在检查每个单独细胞的性状后计算细胞群中的分散度而获得的。因此，通过从更多角度定量考察单细胞的形态表型，我们已经清楚，必需基因的许多功能缺陷是显性遗传的。

本研究中 90% 显示单倍体不足的基因，具有相似功能的基因中的缺失突变表现出相似的表型正向相关性分析（注释 14）揭示的（图 4）。换句话说，大多数表明单倍体不足的表型都具有指示缺失哪种基因的标记。例如，伴侣蛋白复合物帮助各种蛋白质正常发挥作用，作为八种亚基蛋白质的球状集合发挥作用（图4，左），每个亚基的杂合突变体具有相似的标记（图4，右）。利用这种单倍体不足的标记，可以详细研究必需基因的功能。除了确认先前已知的基因之间的功能关系之外，现在还可以推断先前未知的功能关系。此外，根据表明单倍体不足的表型相似性，我们能够呈现基因功能网络的整体图景。表明单倍体不足的表型信息预计不仅可用于分析复杂的生物系统，还可用于寻找细胞内药物靶点。

致谢

这项研究得到了科学研究补助金（15H04402 代表：Teiichi Oya）的支持。

杂志名称：PLOS 生物学（5 月 16 日发布的在线版本）
论文标题：高维单细胞表型分析揭示了广泛的单倍体不足
作者：大贯伸介¹，大谷芳一^1,2*(*通讯作者)
¹东京大学前沿科学研究生院先进生命科学系²米乐m6官方网站 AIST/东京大学先进操作数测量技术开放创新实验室 (OPERANDO-OIL)
DOI 号：101371/期刊pbio.2005130
网址：http://journalsplosorg/plosbiology/article?id=101371/journalpbio2005130

注1：隐性、隐性继承

等位基因中，不太可能出现特征的基因称为隐性遗传，它们以这种方式遗传的称为隐性遗传。以前，基因被称为隐性或隐性，但为了避免基因优劣的误解，现在称为隐性。[返回来源]

注2：必需基因

酿酒酵母等微生物遗传学中使用的术语，指的是如果其功能被删除则无法繁殖的基因。它们被称为必需基因，因为它们对于增殖至关重要。[返回来源]

注3：细胞形态

可以在显微镜下观察到的细胞的形状和外观。在酿酒酵母中，通过细胞外形、作为细胞骨架的一部分的肌动蛋白纤维和核DNA的染色图像来观察细胞形态。[返回来源]

注释4：显性、显性遗传

等位基因中，倾向于表现出特征的基因称为显性遗传，以这种方式遗传的称为显性遗传。以前，基因被称为显性或显性基因，但为了避免基因优劣的误解，现在将它们称为“显性基因”。[返回来源]

注释 5：等位基因

定义等位基因的个体基因。[返回来源]

注释 6：形态表型

可以用显微镜观察到的细胞特征的表达。在酿酒酵母中，它是指可以从细胞的外部形状、作为细胞骨架的一部分的肌动蛋白纤维以及核DNA染色图像读取的细胞特征。[返回来源]

注7：杂合子

在二倍体生物中，具有不同等位基因的情况。[返回来源]

注释8：基因缺陷菌株

基因组中丢失特定基因的生物体。对于二倍体生物，如果仅丢失一个基因拷贝，则称为杂合基因缺陷菌株。[返回来源]

注释9：单倍体不足，单倍体不足

如果二倍体生物体中一对基因中的一个发生突变，则该突变是隐性的，因为大多数基因可以弥补另一个野生型基因中缺失的蛋白质。然而，在单个野生型基因产生的蛋白质量不足的特殊情况下，整个蛋白质变得功能失调，并且观察到由突变产生的表型。这种现象就是单倍体不足。[返回来源]

注释 10：CalMorph

专门针对酿酒酵母的细胞图像分析系统。通过用可特异性检测细胞壁、肌动蛋白和细胞核的荧光试剂对酿酒酵母细胞进行三重染色，并对获得的荧光显微图像进行图像分析，可以定量描述细胞形态，包括其内部结构。该系统不仅使我们能够在单细胞水平上获得细胞大小、母细胞与芽大小之比、核位置等数值，而且还能够从200多个细胞的观察中定量检测501个形态性状，包括表示平均值的性状、表示比例的性状和表示离散性的性状。[返回来源]

注释 11：FDR

罗斯福(错误发现率) 是执行统计测试时的阈值。当使用 1% 的 FDR 进行测试时，表明在检测为显性的表型数量中错误检测（假阳性）的比例的预期值为 1%。当在FDR接近于零的情况下进行检测时，误报数量减少，但检测到的数量也减少，并且漏报（漏报）率增加。[返回来源]

注释 12：随机化

以无序的方式重新排列数据，例如数字。这告诉我们该事件偶然发生的频率。[返回来源]

注释13：数量性状

生物体表现出的以数字表示的表型（性状或特性）。[返回来源]

注释14：正向相关分析

这是一种多变量分析，是一种通过赋予增加两组之间相关性的权重来综合和创建新变量的方法。 1936 年霍特林发明例如，采用回归分析和主成分分析相结合的方法，我们关注基因功能和形态表型之间存在的关系，定义一组新的基因功能（gCV）和形态表型（pCV），并分析两者之间的关系。由于每个gCV和pCV作为一对强烈相关，因此pCV可以被视为指示哪种基因被删除的标记。[返回来源]