溯源聯(lián)會(huì)

汪興澤 丁 燕

（1江蘇省泰興市教育局教研室 江蘇泰興 225400 2江蘇省泰興中學(xué) 江蘇泰興 225400）

同源染色體兩兩配對(duì)的現(xiàn)象稱為聯(lián)會(huì)（synapsis），是減數(shù)分裂過程中最重要的特征之一。同源染色體為什么會(huì)兩兩配對(duì)？

1 原核生物的DNA分子同源重組修復(fù)

1.1 DNA損傷的修復(fù)維護(hù)DNA的相對(duì)穩(wěn)定 DNA是復(fù)雜而脆弱的有機(jī)大分子，其穩(wěn)定性有限。DNA損傷事件在細(xì)胞中廣泛存在，損傷類型有多種。細(xì)胞具有多種修復(fù)機(jī)制，例如直接逆轉(zhuǎn)、堿基切除修復(fù)、同源重組修復(fù)等，可將多數(shù)損傷修復(fù)，并恢復(fù)到原始的DNA序列，維護(hù)DNA的相對(duì)穩(wěn)定。

DNA雙鏈斷裂在所有類型的損傷中對(duì)細(xì)胞危害最大。DNA雙鏈的斷裂，既可能由于電離輻射（如X射線）的照射等而直接產(chǎn)生，也可能是由于復(fù)制時(shí)DNA聚合酶遇到有如模板鏈上的損傷而受阻等間接所致。原核細(xì)胞內(nèi)通常只有1套遺傳物質(zhì)（在DNA復(fù)制結(jié)束，下一輪細(xì)胞分裂完成前，細(xì)胞內(nèi)有2套遺傳物質(zhì)）。以大腸桿菌為例，在只有1套遺傳物質(zhì)時(shí)，雙鏈斷裂的DNA就缺少修復(fù)的模板，直接將斷裂端部連接起來(lái)的非同源性末端連接修復(fù)，常導(dǎo)致DNA片段的缺失，甚至出現(xiàn)倒位等變化。不過這種連接修復(fù)導(dǎo)致的突變要比留下斷裂的DNA不修復(fù)對(duì)細(xì)胞的損傷小得多。但當(dāng)細(xì)胞內(nèi)有2套遺傳物質(zhì)時(shí)，細(xì)胞就可能利用一份DNA為模板修復(fù)受損傷的DNA。這種使損傷的DNA能恢復(fù)到原始序列的機(jī)制稱為同源重組修復(fù)［1-2］。

1.2 真細(xì)菌DNA雙鏈斷裂修復(fù)主要途徑是依賴RecA的同源重組 仍以大腸桿菌為例，當(dāng)DNA雙鏈斷裂時(shí)會(huì)誘導(dǎo)一系列重組蛋白的表達(dá)，一種由3種蛋白質(zhì)亞基組成的復(fù)合物RecBCD被募集到斷端處。依靠ATP水解提供的能量，復(fù)合物從斷裂處起沿著DNA移動(dòng)，并分開雙鏈。復(fù)合物中RecB沿著DNA的3′端移動(dòng)，RecD沿著DNA的5′端移動(dòng)。由于RecB移動(dòng)稍慢些，因而RecB結(jié)合的鏈上會(huì)堆積出一個(gè)DNA單鏈環(huán)。當(dāng)復(fù)合物遇到chi位點(diǎn)（一段特殊的DNA序列，由于能提高同源重組的頻率而被發(fā)現(xiàn)）時(shí)，被復(fù)合物中RecC識(shí)別，3′末端的降解遭到阻止的同時(shí)，RecD脫落或失活。復(fù)合物便以更高的頻率截切原先RecD結(jié)合的DNA鏈，結(jié)果使得具有3′末端的鏈成為單鏈DNA區(qū)段。這就為同源重組的關(guān)鍵蛋白R(shí)ecA結(jié)合到單鏈DNA上創(chuàng)造了條件。

RecA是“鏈交換蛋白”(strand-exchang proteins)的基本成員，能結(jié)合并包裹DNA。相關(guān)研究表明：?jiǎn)捂淒NA結(jié)合蛋白（SSB）能促進(jìn)RecA對(duì)DNA的包裹，包裹具有方向性，3′延長(zhǎng)的DNA單鏈更易被包裹。通常約100個(gè)RecA亞基能包裹300個(gè)核苷酸的DNA鏈，形成非常大的纖絲。纖絲中DNA相鄰堿基的平均距離為0.5 nm，約是標(biāo)準(zhǔn)BDNA螺旋下的0.34 nm的1.5倍。所以，單鏈DNA與RecA蛋白結(jié)合后，長(zhǎng)度約延伸到結(jié)合之前的1.5倍［3］。尋找同源DNA序列和DNA鏈交換就在這種RecA蛋白質(zhì)纖絲內(nèi)進(jìn)行。當(dāng)一個(gè)堿基互補(bǔ)配對(duì)的區(qū)域被定位后，RecA促進(jìn)這2個(gè)分子形成一個(gè)穩(wěn)定的復(fù)合體，這種與RecA結(jié)合的三鏈結(jié)構(gòu)被稱為連接分子。連接分子內(nèi)發(fā)生的鏈交換是指單鏈DNA和模板DNA中序列互補(bǔ)的鏈結(jié)合，置換出與原先互補(bǔ)鏈結(jié)合的DNA鏈。

在DNA聚合酶的作用下，與模板DNA互補(bǔ)的單鏈DNA得到延長(zhǎng)，并且超過原先DNA斷裂的位置。被置換出的DNA單鏈，可以和斷裂另一端的DNA單鏈結(jié)合，作為斷裂DNA的模板，將斷鏈從3′末端延長(zhǎng)。如此，2個(gè)重組的DNA分子被1個(gè)DNA分支連接起來(lái)，2個(gè)雙鏈DNA各有1條DNA鏈與對(duì)方的DNA鏈互換，形成1個(gè)十字形的結(jié)構(gòu)，即霍利迪聯(lián)結(jié)體（Holliday Junction），一個(gè)可以看成是2個(gè)DNA雙螺旋“頭對(duì)頭”靠近的結(jié)構(gòu)。分支點(diǎn)的移動(dòng)需要2個(gè)同源DNA雙螺旋交換堿基對(duì)，RucAB復(fù)合體能大幅提高分支移位速率。形成RucAB復(fù)合體的過程，首先是RuvA蛋白特異性識(shí)別并結(jié)合到霍利迪聯(lián)結(jié)體上，并促使RuvB蛋白結(jié)合到這個(gè)位點(diǎn)上。RuvB是一個(gè)六聚體ATP酶，能利用ATP提供能量，促進(jìn)堿基對(duì)交換。這樣，DNA分支就可以快速地在一個(gè)方向上移動(dòng)。

結(jié)束重組須拆分2條重組DNA分子間的霍利迪聯(lián)結(jié)體。在大腸桿菌中，RuvC是拆分霍利迪聯(lián)結(jié)體的主要核酸內(nèi)切酶，能特異地將同源DNA鏈打開缺口。切開霍利迪聯(lián)結(jié)體并恢復(fù)2個(gè)獨(dú)立的雙螺旋結(jié)構(gòu)有2種方式：一種方式是交叉的DNA鏈分開，重新與原來(lái)的DNA鏈相連，結(jié)果是2個(gè)DNA雙螺旋之間沒有互換片段，產(chǎn)生帶有“補(bǔ)丁”的異源雙鏈DNA；另一種方式是保留交叉的DNA鏈，將未交叉的DNA鏈斷開，再連接對(duì)方的DNA鏈，使2條DNA鏈都參與互換，產(chǎn)生“拼接”片段的重組DNA。不過在大腸桿菌中，由于修復(fù)DNA的模板通常是原來(lái)的拷貝，這種互換一般不會(huì)造成DNA序列的改變。但如果這種機(jī)制被用于修復(fù)來(lái)源不同的DNA（例如不同類型的質(zhì)粒），遺傳信息就可能發(fā)生交換［2-3］。

2 遺傳信息的交換可能導(dǎo)致基因轉(zhuǎn)變（gene conversion）

當(dāng)真菌（如糞生糞殼菌）形成孢子時(shí)，先是2個(gè)單倍體核融合，形成的二倍體經(jīng)過減數(shù)分裂形成4個(gè)單倍體，最后再通過有絲分裂共產(chǎn)生8個(gè)單倍體孢子。糞生糞殼菌的子囊孢子有2種表現(xiàn)：灰色與黑色，它們分別由野生型基因g+和突變型基因g-（2個(gè)基因之間僅有1對(duì)堿基之差：g+為G/C，g-為T/A）控制。當(dāng)以g+和g-為親本進(jìn)行雜交時(shí)，子囊孢子的顏色就會(huì)出現(xiàn)2種：灰色與黑色。分離比大多為4∶4，但同時(shí)出現(xiàn)大約0.1%異常分離比，包括5∶3、6∶2等多種。如何解釋這種現(xiàn)象？

科學(xué)家提出過多種旨在解釋基因轉(zhuǎn)換現(xiàn)象的模型。Holliday等于20世紀(jì)60年代提出Holliday模型，以雜合DNA鏈的形成和隨后的DNA修復(fù)解釋真菌中的基因轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。Holliday模型的改進(jìn)版Meselson-Radding模型，能較好地解釋非對(duì)稱重組現(xiàn)象。該模型的大致內(nèi)容包括：聯(lián)會(huì)的2個(gè)DNA分子中只有一個(gè)出現(xiàn)單鏈切口，切口處3′端延伸，合成新鏈侵入到另一條DNA分子的同源區(qū)中，造成鏈置換，形成D-loop。D-loop的單鏈區(qū)被外切酶切除降解，產(chǎn)生的末端與侵入單鏈的末端共價(jià)連接，形成非對(duì)稱性異源雙鏈區(qū)。DNA通過一定的扭曲旋轉(zhuǎn)，形成霍利迪聯(lián)結(jié)體，經(jīng)歷分支遷移，使2條DNA分子中都出現(xiàn)異源雙鏈區(qū)，此為對(duì)稱性異源雙鏈區(qū)。異源雙鏈區(qū)內(nèi)往往有錯(cuò)配堿基，修復(fù)時(shí)間和方式與基因轉(zhuǎn)換的發(fā)生與否有密切關(guān)系。仍以糞生糞殼菌為例介紹異常分離比的出現(xiàn)原因。對(duì)于一個(gè)g+g-基因型的二倍體細(xì)胞而言，經(jīng)過一次減數(shù)分裂和有絲分裂，通常產(chǎn)生4個(gè)g+和4個(gè)g-基因型的單倍體孢子。但由于g+和g-基因之間只有1對(duì)堿基的差異，若因?yàn)镈NA分子同源重組形成了異源區(qū)段，就帶有不對(duì)稱的堿基對(duì)G/A或C/T。每一個(gè)不對(duì)稱堿基對(duì)都可有2種錯(cuò)配修復(fù)形式：例如，若切除G/A中的A，則形成G/C堿基對(duì)，表現(xiàn)為野生型；如果切除G，則形成T/A堿基對(duì)，表現(xiàn)為突變型。如果不對(duì)稱的核苷酸沒有得到校正，雜合DNA再一次復(fù)制后，將產(chǎn)生2個(gè)不同的基因g+和g-。具體表現(xiàn)為一個(gè)孢子對(duì)中的2個(gè)孢子不同樣。不對(duì)稱堿基對(duì)C/T也可以有不同的修復(fù)方式，從而表現(xiàn)出不同的分離形式，結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)多種分離此例。

需要說(shuō)明的是，解釋基因轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的機(jī)制，除了Holliday模型和Meselson-Radding模型外，還有Szostak等在酵母系統(tǒng)的重組研究中，因發(fā)現(xiàn)載體DNA雙鏈斷裂可大幅提高同源重組的效率而提出的雙鏈斷裂修復(fù)（double-strand break repair，DSBR）模型，以及Allers和Lichtent等在DSBR模型基礎(chǔ)上提出的依賴合成鏈的退火（synthesis-dependent strand annealing,SDSA）模型［4-8］。

3 減數(shù)分裂過程中DNA分子的同源重組確保同源染色體正確配對(duì)

由于真核細(xì)胞通常是二倍體，如果細(xì)胞中一個(gè)DNA發(fā)生斷裂，同源染色體（或姐妹染色單體）上的同源DNA可用作修復(fù)的模板。同源重組是真核生物修復(fù)DNA雙鏈斷裂的主要途徑，且在減數(shù)分裂的過程中有著別樣的重要意義。減數(shù)分裂過程中啟動(dòng)同源重組，須先造成DNA斷裂。一種稱為Spoll的蛋白質(zhì)可在特定時(shí)期，其2個(gè)亞基中特異的酪氨酸側(cè)鏈攻擊DNA的磷酸二酯骨架，生成共價(jià)復(fù)合物，并在2條鏈上相差2個(gè)核苷酸的位置處切開DNA，形成一個(gè)交錯(cuò)的雙鏈撕裂。Spoll切斷DNA的位置多分布在核小體包裝疏松的染色體區(qū)域，例如控制基因轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)子區(qū)域。常被Spoll切割的位點(diǎn)，出現(xiàn)較高概率的DNA雙鏈斷裂，發(fā)生高頻率的重組。Spoll類型的蛋白質(zhì)在古細(xì)菌中也有發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明這個(gè)啟動(dòng)同源重組的蛋白質(zhì)在真核生物和古細(xì)菌的共同祖先中就已出現(xiàn)，已經(jīng)有很長(zhǎng)的進(jìn)化歷史。

催化斷裂的DNA產(chǎn)生3′端單鏈由MRX酶復(fù)合物完成。與RecBCD相似，MRX酶復(fù)合物也有含3個(gè)亞基，分別是Mre11、Rad50和Xrs2。通過MRX由5′→3′的切除，生成長(zhǎng)的具3′端的單鏈DNA，通?？蛇_(dá)1Kb或更長(zhǎng)。簡(jiǎn)要地說(shuō)，處理完全作用于5′端的DNA鏈上，3′端的DNA鏈不被降解。此外，MRX酶復(fù)合物還被認(rèn)為能去除與DNA相連的Spoll。

與真細(xì)菌一樣，真核生物生成的3′端單鏈DNA對(duì)同源序列的識(shí)別和鏈交換也離不開鏈交換蛋白。鏈交換蛋白在生命體中普遍存在。除了真細(xì)菌的RecA，該家族成員還包括T4噬菌體的UvsX蛋白、古細(xì)菌的RadA，以及真核生物的Rad51和Dmc1。這些蛋白質(zhì)可形成與RecA類似的蛋白絲，行使相似的功能。Rad51和Dmc1是2種與RecA同源的蛋白質(zhì)，Rad51廣泛表達(dá)于有絲分裂和減數(shù)分裂的細(xì)胞中，而Dmc1僅在細(xì)胞進(jìn)入減數(shù)分裂時(shí)才表達(dá)，依賴Dmc1的重組傾向發(fā)生于非姐妹染色單體之間。需要說(shuō)明的是：減數(shù)分裂重組時(shí)，除Rad51和Dmc1外，尚有其他多種蛋白質(zhì)參與到被稱為重組工廠（recombination factory）的大型復(fù)合體中執(zhí)行相應(yīng)的功能。例如，Rad52與細(xì)菌RecBCD有相似的活性，能啟動(dòng)Rad51蛋白絲的組裝，促進(jìn)DNA單鏈與模板鏈的堿基配對(duì)。正是依賴這些蛋白質(zhì)——DNA復(fù)合體，鏈交換、單鏈DNA延伸等過程才得以順利進(jìn)行。發(fā)生在2個(gè)特定類型的同源DNA分子之間的減數(shù)分裂重組，促進(jìn)了同源染色體非姐妹染色單體之間的交聯(lián)，確保等待分裂的同源染色體正確聯(lián)會(huì)。減數(shù)分裂重組過程中形成的霍利迪聯(lián)結(jié)體主要由Rad51C（一種含有類Rad51的蛋白質(zhì)復(fù)合體）和XRCC3蛋白完成拆分，最終形成DNA片段的交換產(chǎn)物或非交換產(chǎn)物，導(dǎo)致同源DNA分子之間遺傳信息的交換等［3，9-11］。

據(jù)測(cè)定，人類細(xì)胞減數(shù)分裂過程中，平均會(huì)發(fā)生36處DNA的交換，也就是說(shuō)，每個(gè)染色體平均有1.5次交換［1］。同源重組普遍存在，使得所有的DNA都是重組DNA。親本染色體之間的基因發(fā)生重組，使得后代的基因更具有多樣性，能更好地適應(yīng)環(huán)境的變化。同源重組有如同源DNA分子之間的“求助、戀愛、合作”，其最初的功能可能只是修復(fù)DNA的損傷，后來(lái)得到發(fā)展并被“借用”到減數(shù)分裂重組等中，確保減數(shù)分裂過程染色體的正確配對(duì)，保持基因組的完整性。因此可以說(shuō)，聯(lián)會(huì)是DNA分子的同源重組所致，同源重組既是進(jìn)化的結(jié)果，又促進(jìn)生物的進(jìn)化。