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基因重組

DNA片段断裂转移位置导致新连锁关系形成的过程

遺傳學中，基因重組（英語：genetic recombination/reshuffling）亦稱遺傳重組，是指DNA片段斷裂並且轉移位置的過程，會導致基因間或基因內新的連鎖關係形成。對於真核生物，減數分裂過程中的基因重組能夠形成一套新的遺傳訊息，並從親本遺傳給子代。多數基因重組是自然發生的，可以分為兩種類型：(1)染色體間重組，通過位點在不同染色體上的等位基因的自由組合發生（減數分裂I中同源染色體的非姐妹染色分體上的基因自由組合）；(2)染色體內重組，通過交換發生。[1]

減數分裂重組模型，由雙鏈斷裂或缺口開始，然後與同源染色體配對、鏈侵入，開始重組修復過程。間隙的修復可能導致側翼區域的交叉（CO）或非交叉（NCO）。CO的重組被認為是通過雙霍利迪結（DHJ）模型發生的，如上圖右邊所示。NCO重組被認為主要是通過合成依賴鏈退火（SDSA）模型發生的，如上圖左所示。大多數重組事件似乎是SDSA類型。

在真核生物減數分裂過程中，遺傳重組時同源染色體會配對。隨後可能會發生染色體間的遺傳訊息傳遞。訊息傳遞可以不需要物理交換（遺傳物質的一部分從一條染色體複製到另一條染色體，而來源的染色體並未改變，見圖中SDSA路徑），也可以通過DNA鏈斷裂並重新連接，形成新的DNA分子（見圖中DHJ路徑）。

重組也可能在真核生物有絲分裂時發生，它通常涉及染色體複製後形成的兩個姐妹染色體。在這種情況下，由於姐妹染色體通常是相同的，所以不會產生新的等位基因組合。在減數分裂和有絲分裂中，DNA的相似分子（同源序列）之間發生重組。減數分裂過程中，非姐妹同源染色體相互配對，使非姐妹同源染色體之間發生典型的重組。在減數分裂和有絲分裂細胞中，同源染色體之間的重組是DNA修復中常見的機制。無性生殖的細菌和古菌也會發生基因重組和重組DNA修復。

對原核生物（例如細菌）來說，個體之間可以通過交接，或是經由病毒（例如噬菌體）的傳送，來交換彼此的基因，並且利用基因重組，將這些基因組合到本身原有的遺傳物質中。

對於較複雜的生物來說，重組通常是因為同源染色體配對時發生互換，使得同源染色體上的基因在遺傳到子代時，經常有不完全的連鎖。由於重組現象的存在，科學家可以利用重組率來定出基因之間的相對位置，描繪出基因圖譜。

使同源序列相同的基因轉換過程也屬於基因重組。

重組可以在實驗室（體外）環境中人工誘導發生，產生重組DNA，用於疫苗開發等目的。

聯會

主條目：聯會

在減數分裂期間，聯會（同源染色體的配對）通常在基因重組之前發生。在一般減數分裂的步驟，先是聯會 、再進行基因重組及分離（gene segregation）[2][3][4]。

機制

基因重組由多種酶催化進行。重組酶（英語：Recombinase）是重組過程中催化鏈轉移步驟的一種關鍵酶。大腸桿菌內發現的主要重組酶RecA（英語：RecA）負責修復DNA的雙鏈斷裂（double strand break(s)，DSB(s)）。在酵母和其他真核生物中，修復DSB需要兩種重組酶。有絲分裂和減數分裂重組過程需要RAD51，而DNA修復蛋白DMC1（英語：DMC1 (gene)）專用於減數分裂重組。在古菌中，和細菌RecA蛋白的同源的是RadA。

染色體互換

 
托馬斯·亨特·摩爾根繪製的染色體互換示意圖
主條目：染色體互換

真核生物中，減數分裂期間的重組是通過染色體互換（或稱交叉互換）進行的。交叉互換過程使後代擁有與親本不同的基因組合，偶爾還會產生新的嵌合等位基因。基因的重組會增加遺傳變異。它還允許有性繁殖的生物體避免穆勒棘輪效應（英語：Muller's ratchet），這種效應多用於指無性生殖種群的情況，隨著時間的推移，其基因組中的有害突變往往會積累得比有益突變或復原突變更多。

染色體互換是指遺傳自父母的成對染色體之間的重組，通常發生在減數分裂期間。在前期I期（粗線期），四條染色分體彼此緊密排列。而在這種結構中，兩條染色分體上的同源位點可以配對，並可以交換遺傳訊息。[5]

由於染色體的每個位置上都有很小的概率發生重組，兩個位置之間重組的頻率取決於它們之間的距離（遺傳連鎖）。因此，對於同一染色體上相距足夠遠的基因，交叉互換的次數足以打破等位基因之間的相關性。

對遺傳學家來說，追蹤由交叉互換產生的基因的移動已經被證明是非常有用的。因為兩個相距較近的基因比相距較遠的基因更難分離，所以如果知道交叉互換的頻率，遺傳學家就可以推斷出一條染色體上兩個基因之間的大致距離。遺傳學家也可以使用這種方法來推斷某些基因的存在。若兩個基因在重組過程中常保持在一起，則稱二者之間存在遺傳連鎖。一個連鎖對中的一個基因有時可以作為標記來推斷另一個基因的存在。這通常用於檢測致病基因的存在。[6]

觀察得到的兩個位點之間的重組頻率稱為交換值（英語：crossing-over value）。它是兩個連鎖基因位點（遺傳標記）之間發生染色體互換的頻率，取決於觀察的兩個遺傳位點之間相隔的距離。對於任何一組固定的遺傳和環境條件，連鎖結構（染色體）的特定區域的重組頻率往往是固定的，而用於製作遺傳圖譜的交換值亦然。[7][8]

基因轉換

主條目：基因轉換

在基因轉換中，遺傳物質的一部分從一條染色體複製到另一條染色體，而來源染色體不變。減數分裂過程中，基因轉換發生的頻率很高。它是一個DNA序列從一個DNA螺旋（不變）複製到另一個DNA螺旋，後者序列被改變的過程。真菌雜交[9]中常進行基因轉換研究，其中每次減數分裂形成的4個產物很容易觀察。基因轉換事件可以按照個體減數分裂中與正常的2:2分離模式的偏離（例如3:1分離模式）來區分。

非同源重組

重組可以發生在不同源的DNA序列之間，其後果是染色體易位，有時會導致癌症。

B細胞

主條目：免疫球蛋白類型轉換

免疫系統的B細胞進行的基因重組，稱為免疫球蛋白類型轉換。這是一種將抗體從一類變成另一類的生物機制，例如，從一種叫做IgM的同種型變成IgG同種型。

基因工程

基因工程中，重組也可以指人為地將完全不相關的DNA片段（往往來自不同生物體）重新組合，形成重組DNA。其中基因靶向是的對基因重組的一種常見應用，可用來增添、刪除或改變一個生物體的基因。該技術在生物醫學研究（英語：biomedical research）中有重要地位，它使得研究者能夠研究特定基因的作用。基於基因重組的技術也應用於蛋白質工程中開發具有生物學意義的新蛋白質。

重組修復

多種外源（如紫外線、X射線、化學交聯劑）引起的DNA損傷可通過同源重組修復（homologous recombinational repair，HRR）得到恢復。[10][11]這些發現表明，自然過程（如正常代謝的副產物活性氧）產生的DNA損傷，也會得到同源重組修復。對人類而言，：減數分裂時同源重組修復所需的基因產物缺乏可能導致不育。[12]

減數分裂重組

RNA病毒重組

重組在生命起源中的作用

Nowak和Ohtsuki[13]指出，生命起源也是生物演化的起源。他們指出，地球上所有已知的生命都是以生物聚合物為基礎的，並提出生命起源的任何理論都必然涉及作為訊息載體和催化劑的生物聚合物。Lehman[14]認為重組是一種進化的發展，和生命起源一樣古老。Smail等人[15]提出，在原始地球上，重組在最初較短的訊息聚合物（推測為RNA）的擴張中起到了關鍵作用，這些聚合物是生命的前身。

參見

參考文獻

  1. ^ Daly, M J; Minton, K W. Interchromosomal recombination in the extremely radioresistant bacterium Deinococcus radiodurans.. Journal of Bacteriology. October 1995, 177 (19): 5495–5505. ISSN 0021-9193. PMC 177357  . PMID 7559335. doi:10.1128/jb.177.19.5495-5505.1995. 
  2. ^ Hawley RS, Arbel T.,"Yeast genetics and the fall of the classical view of meiosis" （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）,PubMed - NCBI,1993 Feb 12;72(3):301-3.. PMID 8431941 DOI: 10.1016/0092-8674(93)90108-3
  3. ^ Peter B. Moens,"Molecular perspectives of chromosome pairing at meiosis" （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）,BioEssays - Wiley Online Library,Volume16,Issue2,February 1994,Pages 101-106.
  4. ^ 趙紹惠[1] 和 大衛摩亞[2] （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）(Siu-Wai Chiu & David Moore),"解讀真菌的形態發育--第六章(Deciphering Fungal Morphogenesis--Chapter 6)"[3] （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）,香港中文大學生命科學學院,2003.
  5. ^ Alberts B. Molecular Biology of the Cell, Fourth Edition. New York: Garland Science. 2002. ISBN 978-0-8153-3218-3. 
  6. ^ Access Excellence. Crossing-over: Genetic Recombination. The National Health Museum Resource Center. [February 23, 2011]. （原始內容存檔於2013-07-31）. 
  7. ^ Rieger R, Michaelis A, Green MM. Glossary of genetics and cytogenetics: Classical and molecular . Heidelberg - New York: Springer-Verlag. 1976. ISBN 978-3-540-07668-1. 
  8. ^ King RC, Stransfield WD. Dictionary of Genetics.. New York, Oxford: Oxford University Press. 1998. ISBN 0-19-509442-5. 
  9. ^ Stacey KA. Recombination. Kendrew J, Lawrence E (編). The Encyclopedia of Molecular Biology. Oxford: Blackwell Science. 1994: 945–950. 
  10. ^ Baker BS, Boyd JB, Carpenter AT, Green MM, Nguyen TD, Ripoll P, Smith PD. Genetic controls of meiotic recombination and somatic DNA metabolism in Drosophila melanogaster. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. November 1976, 73 (11): 4140–4. Bibcode:1976PNAS...73.4140B. PMC 431359  . PMID 825857. doi:10.1073/pnas.73.11.4140  . 
  11. ^ Boyd JB. DNA repair in Drosophila. Hanawalt PC, Friedberg EC, Fox CF (編). DNA Repair Mechanisms. New York: Academic Press. 1978: 449–452. 
  12. ^ Galetzka D, Weis E, Kohlschmidt N, Bitz O, Stein R, Haaf T. Expression of somatic DNA repair genes in human testes. Journal of Cellular Biochemistry. April 2007, 100 (5): 1232–9. PMID 17177185. S2CID 23743474. doi:10.1002/jcb.21113. 
  13. ^ Nowak MA, Ohtsuki H. Prevolutionary dynamics and the origin of evolution. Proc Natl Acad Sci U S A. 2008 Sep 30;105(39):14924-7. doi: 10.1073/pnas.0806714105. Epub 2008 Sep 12. PMID 18791073; PMCID: PMC2567469
  14. ^ Lehman N. A case for the extreme antiquity of recombination. J Mol Evol. 2003 Jun;56(6):770-7. doi: 10.1007/s00239-003-2454-1. PMID 12911039
  15. ^ Smail BA, Clifton BE, Mizuuchi R, Lehman N. Spontaneous advent of genetic diversity in RNA populations through multiple recombination mechanisms. RNA. 2019 Apr;25(4):453-464. doi: 10.1261/rna.068908.118. Epub 2019 Jan 22. PMID 30670484; PMCID: PMC6426292

  本條目引用的公有領域材料來自NCBI的文檔《Science Primer》。

  • Michael J. McDonald, Daniel P. Rice, Michael M. Desai: Sex speeds adaptation by altering the dynamics of molecular evolution. In: Nature. 2016, doi：10.1038/nature17143

外部連結

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