溯源联会

汪兴泽 丁 燕

（1江苏省泰兴市教育局教研室 江苏泰兴 225400 2江苏省泰兴中学 江苏泰兴 225400）

同源染色体两两配对的现象称为联会（synapsis），是减数分裂过程中最重要的特征之一。同源染色体为什么会两两配对？

1 原核生物的DNA分子同源重组修复

1.1 DNA损伤的修复维护DNA的相对稳定 DNA是复杂而脆弱的有机大分子，其稳定性有限。DNA损伤事件在细胞中广泛存在，损伤类型有多种。细胞具有多种修复机制，例如直接逆转、碱基切除修复、同源重组修复等，可将多数损伤修复，并恢复到原始的DNA序列，维护DNA的相对稳定。

DNA双链断裂在所有类型的损伤中对细胞危害最大。DNA双链的断裂，既可能由于电离辐射（如X射线）的照射等而直接产生，也可能是由于复制时DNA聚合酶遇到有如模板链上的损伤而受阻等间接所致。原核细胞内通常只有1套遗传物质（在DNA复制结束，下一轮细胞分裂完成前，细胞内有2套遗传物质）。以大肠杆菌为例，在只有1套遗传物质时，双链断裂的DNA就缺少修复的模板，直接将断裂端部连接起来的非同源性末端连接修复，常导致DNA片段的缺失，甚至出现倒位等变化。不过这种连接修复导致的突变要比留下断裂的DNA不修复对细胞的损伤小得多。但当细胞内有2套遗传物质时，细胞就可能利用一份DNA为模板修复受损伤的DNA。这种使损伤的DNA能恢复到原始序列的机制称为同源重组修复［1-2］。

1.2 真细菌DNA双链断裂修复主要途径是依赖RecA的同源重组 仍以大肠杆菌为例，当DNA双链断裂时会诱导一系列重组蛋白的表达，一种由3种蛋白质亚基组成的复合物RecBCD被募集到断端处。依靠ATP水解提供的能量，复合物从断裂处起沿着DNA移动，并分开双链。复合物中RecB沿着DNA的3′端移动，RecD沿着DNA的5′端移动。由于RecB移动稍慢些，因而RecB结合的链上会堆积出一个DNA单链环。当复合物遇到chi位点（一段特殊的DNA序列，由于能提高同源重组的频率而被发现）时，被复合物中RecC识别，3′末端的降解遭到阻止的同时，RecD脱落或失活。复合物便以更高的频率截切原先RecD结合的DNA链，结果使得具有3′末端的链成为单链DNA区段。这就为同源重组的关键蛋白RecA结合到单链DNA上创造了条件。

RecA是“链交换蛋白”(strand-exchang proteins)的基本成员，能结合并包裹DNA。相关研究表明：单链DNA结合蛋白（SSB）能促进RecA对DNA的包裹，包裹具有方向性，3′延长的DNA单链更易被包裹。通常约100个RecA亚基能包裹300个核苷酸的DNA链，形成非常大的纤丝。纤丝中DNA相邻碱基的平均距离为0.5 nm，约是标准BDNA螺旋下的0.34 nm的1.5倍。所以，单链DNA与RecA蛋白结合后，长度约延伸到结合之前的1.5倍［3］。寻找同源DNA序列和DNA链交换就在这种RecA蛋白质纤丝内进行。当一个碱基互补配对的区域被定位后，RecA促进这2个分子形成一个稳定的复合体，这种与RecA结合的三链结构被称为连接分子。连接分子内发生的链交换是指单链DNA和模板DNA中序列互补的链结合，置换出与原先互补链结合的DNA链。

在DNA聚合酶的作用下，与模板DNA互补的单链DNA得到延长，并且超过原先DNA断裂的位置。被置换出的DNA单链，可以和断裂另一端的DNA单链结合，作为断裂DNA的模板，将断链从3′末端延长。如此，2个重组的DNA分子被1个DNA分支连接起来，2个双链DNA各有1条DNA链与对方的DNA链互换，形成1个十字形的结构，即霍利迪联结体（Holliday Junction），一个可以看成是2个DNA双螺旋“头对头”靠近的结构。分支点的移动需要2个同源DNA双螺旋交换碱基对，RucAB复合体能大幅提高分支移位速率。形成RucAB复合体的过程，首先是RuvA蛋白特异性识别并结合到霍利迪联结体上，并促使RuvB蛋白结合到这个位点上。RuvB是一个六聚体ATP酶，能利用ATP提供能量，促进碱基对交换。这样，DNA分支就可以快速地在一个方向上移动。

结束重组须拆分2条重组DNA分子间的霍利迪联结体。在大肠杆菌中，RuvC是拆分霍利迪联结体的主要核酸内切酶，能特异地将同源DNA链打开缺口。切开霍利迪联结体并恢复2个独立的双螺旋结构有2种方式：一种方式是交叉的DNA链分开，重新与原来的DNA链相连，结果是2个DNA双螺旋之间没有互换片段，产生带有“补丁”的异源双链DNA；另一种方式是保留交叉的DNA链，将未交叉的DNA链断开，再连接对方的DNA链，使2条DNA链都参与互换，产生“拼接”片段的重组DNA。不过在大肠杆菌中，由于修复DNA的模板通常是原来的拷贝，这种互换一般不会造成DNA序列的改变。但如果这种机制被用于修复来源不同的DNA（例如不同类型的质粒），遗传信息就可能发生交换［2-3］。

2 遗传信息的交换可能导致基因转变（gene conversion）

当真菌（如粪生粪壳菌）形成孢子时，先是2个单倍体核融合，形成的二倍体经过减数分裂形成4个单倍体，最后再通过有丝分裂共产生8个单倍体孢子。粪生粪壳菌的子囊孢子有2种表现：灰色与黑色，它们分别由野生型基因g+和突变型基因g-（2个基因之间仅有1对碱基之差：g+为G/C，g-为T/A）控制。当以g+和g-为亲本进行杂交时，子囊孢子的颜色就会出现2种：灰色与黑色。分离比大多为4∶4，但同时出现大约0.1%异常分离比，包括5∶3、6∶2等多种。如何解释这种现象？

科学家提出过多种旨在解释基因转换现象的模型。Holliday等于20世纪60年代提出Holliday模型，以杂合DNA链的形成和随后的DNA修复解释真菌中的基因转变现象。Holliday模型的改进版Meselson-Radding模型，能较好地解释非对称重组现象。该模型的大致内容包括：联会的2个DNA分子中只有一个出现单链切口，切口处3′端延伸，合成新链侵入到另一条DNA分子的同源区中，造成链置换，形成D-loop。D-loop的单链区被外切酶切除降解，产生的末端与侵入单链的末端共价连接，形成非对称性异源双链区。DNA通过一定的扭曲旋转，形成霍利迪联结体，经历分支迁移，使2条DNA分子中都出现异源双链区，此为对称性异源双链区。异源双链区内往往有错配碱基，修复时间和方式与基因转换的发生与否有密切关系。仍以粪生粪壳菌为例介绍异常分离比的出现原因。对于一个g+g-基因型的二倍体细胞而言，经过一次减数分裂和有丝分裂，通常产生4个g+和4个g-基因型的单倍体孢子。但由于g+和g-基因之间只有1对碱基的差异，若因为DNA分子同源重组形成了异源区段，就带有不对称的碱基对G/A或C/T。每一个不对称碱基对都可有2种错配修复形式：例如，若切除G/A中的A，则形成G/C碱基对，表现为野生型；如果切除G，则形成T/A碱基对，表现为突变型。如果不对称的核苷酸没有得到校正，杂合DNA再一次复制后，将产生2个不同的基因g+和g-。具体表现为一个孢子对中的2个孢子不同样。不对称碱基对C/T也可以有不同的修复方式，从而表现出不同的分离形式，结果就会出现多种分离此例。

需要说明的是，解释基因转变现象的机制，除了Holliday模型和Meselson-Radding模型外，还有Szostak等在酵母系统的重组研究中，因发现载体DNA双链断裂可大幅提高同源重组的效率而提出的双链断裂修复（double-strand break repair，DSBR）模型，以及Allers和Lichtent等在DSBR模型基础上提出的依赖合成链的退火（synthesis-dependent strand annealing,SDSA）模型［4-8］。

3 减数分裂过程中DNA分子的同源重组确保同源染色体正确配对

由于真核细胞通常是二倍体，如果细胞中一个DNA发生断裂，同源染色体（或姐妹染色单体）上的同源DNA可用作修复的模板。同源重组是真核生物修复DNA双链断裂的主要途径，且在减数分裂的过程中有着别样的重要意义。减数分裂过程中启动同源重组，须先造成DNA断裂。一种称为Spoll的蛋白质可在特定时期，其2个亚基中特异的酪氨酸侧链攻击DNA的磷酸二酯骨架，生成共价复合物，并在2条链上相差2个核苷酸的位置处切开DNA，形成一个交错的双链撕裂。Spoll切断DNA的位置多分布在核小体包装疏松的染色体区域，例如控制基因转录的启动子区域。常被Spoll切割的位点，出现较高概率的DNA双链断裂，发生高频率的重组。Spoll类型的蛋白质在古细菌中也有发现，说明这个启动同源重组的蛋白质在真核生物和古细菌的共同祖先中就已出现，已经有很长的进化历史。

催化断裂的DNA产生3′端单链由MRX酶复合物完成。与RecBCD相似，MRX酶复合物也有含3个亚基，分别是Mre11、Rad50和Xrs2。通过MRX由5′→3′的切除，生成长的具3′端的单链DNA，通常可达1Kb或更长。简要地说，处理完全作用于5′端的DNA链上，3′端的DNA链不被降解。此外，MRX酶复合物还被认为能去除与DNA相连的Spoll。

与真细菌一样，真核生物生成的3′端单链DNA对同源序列的识别和链交换也离不开链交换蛋白。链交换蛋白在生命体中普遍存在。除了真细菌的RecA，该家族成员还包括T4噬菌体的UvsX蛋白、古细菌的RadA，以及真核生物的Rad51和Dmc1。这些蛋白质可形成与RecA类似的蛋白丝，行使相似的功能。Rad51和Dmc1是2种与RecA同源的蛋白质，Rad51广泛表达于有丝分裂和减数分裂的细胞中，而Dmc1仅在细胞进入减数分裂时才表达，依赖Dmc1的重组倾向发生于非姐妹染色单体之间。需要说明的是：减数分裂重组时，除Rad51和Dmc1外，尚有其他多种蛋白质参与到被称为重组工厂（recombination factory）的大型复合体中执行相应的功能。例如，Rad52与细菌RecBCD有相似的活性，能启动Rad51蛋白丝的组装，促进DNA单链与模板链的碱基配对。正是依赖这些蛋白质——DNA复合体，链交换、单链DNA延伸等过程才得以顺利进行。发生在2个特定类型的同源DNA分子之间的减数分裂重组，促进了同源染色体非姐妹染色单体之间的交联，确保等待分裂的同源染色体正确联会。减数分裂重组过程中形成的霍利迪联结体主要由Rad51C（一种含有类Rad51的蛋白质复合体）和XRCC3蛋白完成拆分，最终形成DNA片段的交换产物或非交换产物，导致同源DNA分子之间遗传信息的交换等［3，9-11］。

据测定，人类细胞减数分裂过程中，平均会发生36处DNA的交换，也就是说，每个染色体平均有1.5次交换［1］。同源重组普遍存在，使得所有的DNA都是重组DNA。亲本染色体之间的基因发生重组，使得后代的基因更具有多样性，能更好地适应环境的变化。同源重组有如同源DNA分子之间的“求助、恋爱、合作”，其最初的功能可能只是修复DNA的损伤，后来得到发展并被“借用”到减数分裂重组等中，确保减数分裂过程染色体的正确配对，保持基因组的完整性。因此可以说，联会是DNA分子的同源重组所致，同源重组既是进化的结果，又促进生物的进化。