溯源聯會

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 江蘇泰興 225400）

同源染色體兩兩配對的現象稱為聯會（synapsis），是減數分裂過程中最重要的特征之一。同源染色體為什么會兩兩配對？

1 原核生物的DNA分子同源重組修復

1.1 DNA損傷的修復維護DNA的相對穩定 DNA是復雜而脆弱的有機大分子，其穩定性有限。DNA損傷事件在細胞中廣泛存在，損傷類型有多種。細胞具有多種修復機制，例如直接逆轉、堿基切除修復、同源重組修復等，可將多數損傷修復，并恢復到原始的DNA序列，維護DNA的相對穩定。

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

1.2 真細菌DNA雙鏈斷裂修復主要途徑是依賴RecA的同源重組 仍以大腸桿菌為例，當DNA雙鏈斷裂時會誘導一系列重組蛋白的表達，一種由3種蛋白質亞基組成的復合物RecBCD被募集到斷端處。依靠ATP水解提供的能量，復合物從斷裂處起沿著DNA移動，并分開雙鏈。復合物中RecB沿著DNA的3′端移動，RecD沿著DNA的5′端移動。由于RecB移動稍慢些，因而RecB結合的鏈上會堆積出一個DNA單鏈環。當復合物遇到chi位點（一段特殊的DNA序列，由于能提高同源重組的頻率而被發現）時，被復合物中RecC識別，3′末端的降解遭到阻止的同時，RecD脫落或失活。復合物便以更高的頻率截切原先RecD結合的DNA鏈，結果使得具有3′末端的鏈成為單鏈DNA區段。這就為同源重組的關鍵蛋白RecA結合到單鏈DNA上創造了條件。

RecA是“鏈交換蛋白”(strand-exchang proteins)的基本成員，能結合并包裹DNA。相關研究表明：單鏈DNA結合蛋白（SSB）能促進RecA對DNA的包裹，包裹具有方向性，3′延長的DNA單鏈更易被包裹。通常約100個RecA亞基能包裹300個核苷酸的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，約是標準BDNA螺旋下的0.34 nm的1.5倍。所以，單鏈DNA與RecA蛋白結合后，長度約延伸到結合之前的1.5倍［3］。尋找同源DNA序列和DNA鏈交換就在這種RecA蛋白質纖絲內進行。當一個堿基互補配對的區域被定位后，RecA促進這2個分子形成一個穩定的復合體，這種與RecA結合的三鏈結構被稱為連接分子。連接分子內發生的鏈交換是指單鏈DNA和模板DNA中序列互補的鏈結合，置換出與原先互補鏈結合的DNA鏈。

在DNA聚合酶的作用下，與模板DNA互補的單鏈DNA得到延長，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單鏈結合，作為斷裂DNA的模板，將斷鏈從3′末端延長。如此，2個重組的DNA分子被1個DNA分支連接起來，2個雙鏈DNA各有1條DNA鏈與對方的DNA鏈互換，形成1個十字形的結構，即霍利迪聯結體（Holliday Junction），一個可以看成是2個DNA雙螺旋“頭對頭”靠近的結構。分支點的移動需要2個同源DNA雙螺旋交換堿基對，RucAB復合體能大幅提高分支移位速率。形成RucAB復合體的過程，首先是RuvA蛋白特異性識別并結合到霍利迪聯結體上，并促使RuvB蛋白結合到這個位點上。RuvB是一個六聚體ATP酶，能利用ATP提供能量，促進堿基對交換。這樣，DNA分支就可以快速地在一個方向上移動。

結束重組須拆分2條重組DNA分子間的霍利迪聯結體。在大腸桿菌中，RuvC是拆分霍利迪聯結體的主要核酸內切酶，能特異地將同源DNA鏈打開缺口。切開霍利迪聯結體并恢復2個獨立的雙螺旋結構有2種方式：一種方式是交叉的DNA鏈分開，重新與原來的DNA鏈相連，結果是2個DNA雙螺旋之間沒有互換片段，產生帶有“補丁”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，再連接對方的DNA鏈，使2條DNA鏈都參與互換，產生“拼接”片段的重組DNA。不過在大腸桿菌中，由于修復DNA的模板通常是原來的拷貝，這種互換一般不會造成DNA序列的改變。但如果這種機制被用于修復來源不同的DNA（例如不同類型的質粒），遺傳信息就可能發生交換［2-3］。

2 遺傳信息的交換可能導致基因轉變（gene conversion）

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

科學家提出過多種旨在解釋基因轉換現象的模型。Holliday等于20世紀60年代提出Holliday模型，以雜合DNA鏈的形成和隨后的DNA修復解釋真菌中的基因轉變現象。Holliday模型的改進版Meselson-Radding模型，能較好地解釋非對稱重組現象。該模型的大致內容包括：聯會的2個DNA分子中只有一個出現單鏈切口，切口處3′端延伸，合成新鏈侵入到另一條DNA分子的同源區中，造成鏈置換，形成D-loop。D-loop的單鏈區被外切酶切除降解，產生的末端與侵入單鏈的末端共價連接，形成非對稱性異源雙鏈區。DNA通過一定的扭曲旋轉，形成霍利迪聯結體，經歷分支遷移，使2條DNA分子中都出現異源雙鏈區，此為對稱性異源雙鏈區。異源雙鏈區內往往有錯配堿基，修復時間和方式與基因轉換的發生與否有密切關系。仍以糞生糞殼菌為例介紹異常分離比的出現原因。對于一個g+g-基因型的二倍體細胞而言，經過一次減數分裂和有絲分裂，通常產生4個g+和4個g-基因型的單倍體孢子。但由于g+和g-基因之間只有1對堿基的差異，若因為DNA分子同源重組形成了異源區段，就帶有不對稱的堿基對G/A或C/T。每一個不對稱堿基對都可有2種錯配修復形式：例如，若切除G/A中的A，則形成G/C堿基對，表現為野生型；如果切除G，則形成T/A堿基對，表現為突變型。如果不對稱的核苷酸沒有得到校正，雜合DNA再一次復制后，將產生2個不同的基因g+和g-。具體表現為一個孢子對中的2個孢子不同樣。不對稱堿基對C/T也可以有不同的修復方式，從而表現出不同的分離形式，結果就會出現多種分離此例。

需要說明的是，解釋基因轉變現象的機制，除了Holliday模型和Meselson-Radding模型外，還有Szostak等在酵母系統的重組研究中，因發現載體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（double-strand break repair，DSBR）模型，以及Allers和Lichtent等在DSBR模型基礎上提出的依賴合成鏈的退火（synthesis-dependent strand annealing,SDSA）模型［4-8］。

3 減數分裂過程中DNA分子的同源重組確保同源染色體正確配對

由于真核細胞通常是二倍體，如果細胞中一個DNA發生斷裂，同源染色體（或姐妹染色單體）上的同源DNA可用作修復的模板。同源重組是真核生物修復DNA雙鏈斷裂的主要途徑，且在減數分裂的過程中有著別樣的重要意義。減數分裂過程中啟動同源重組，須先造成DNA斷裂。一種稱為Spoll的蛋白質可在特定時期，其2個亞基中特異的酪氨酸側鏈攻擊DNA的磷酸二酯骨架，生成共價復合物，并在2條鏈上相差2個核苷酸的位置處切開DNA，形成一個交錯的雙鏈撕裂。Spoll切斷DNA的位置多分布在核小體包裝疏松的染色體區域，例如控制基因轉錄的啟動子區域。常被Spoll切割的位點，出現較高概率的DNA雙鏈斷裂，發生高頻率的重組。Spoll類型的蛋白質在古細菌中也有發現，說明這個啟動同源重組的蛋白質在真核生物和古細菌的共同祖先中就已出現，已經有很長的進化歷史。

催化斷裂的DNA產生3′端單鏈由MRX酶復合物完成。與RecBCD相似，MRX酶復合物也有含3個亞基，分別是Mre11、Rad50和Xrs2。通過MRX由5′→3′的切除，生成長的具3′端的單鏈DNA，通常可達1Kb或更長。簡要地說，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酶復合物還被認為能去除與DNA相連的Spoll。

與真細菌一樣，真核生物生成的3′端單鏈DNA對同源序列的識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。除了真細菌的RecA，該家族成員還包括T4噬菌體的UvsX蛋白、古細菌的RadA，以及真核生物的Rad51和Dmc1。這些蛋白質可形成與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，Rad51廣泛表達于有絲分裂和減數分裂的細胞中，而Dmc1僅在細胞進入減數分裂時才表達，依賴Dmc1的重組傾向發生于非姐妹染色單體之間。需要說明的是：減數分裂重組時，除Rad51和Dmc1外，尚有其他多種蛋白質參與到被稱為重組工廠（recombination factory）的大型復合體中執行相應的功能。例如，Rad52與細菌RecBCD有相似的活性，能啟動Rad51蛋白絲的組裝，促進DNA單鏈與模板鏈的堿基配對。正是依賴這些蛋白質——DNA復合體，鏈交換、單鏈DNA延伸等過程才得以順利進行。發生在2個特定類型的同源DNA分子之間的減數分裂重組，促進了同源染色體非姐妹染色單體之間的交聯，確保等待分裂的同源染色體正確聯會。減數分裂重組過程中形成的霍利迪聯結體主要由Rad51C（一種含有類Rad51的蛋白質復合體）和XRCC3蛋白完成拆分，最終形成DNA片段的交換產物或非交換產物，導致同源DNA分子之間遺傳信息的交換等［3，9-11］。

據測定，人類細胞減數分裂過程中，平均會發生36處DNA的交換，也就是說，每個染色體平均有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生重組，使得后代的基因更具有多樣性，能更好地適應環境的變化。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DNA的損傷，后來得到發展并被“借用”到減數分裂重組等中，確保減數分裂過程染色體的正確配對，保持基因組的完整性。因此可以說，聯會是DNA分子的同源重組所致，同源重組既是進化的結果，又促進生物的進化。