同源染色體“交叉互換”的實(shí)現(xiàn)機(jī)制摭談

蔣斐雯

【摘 要】本文按照時(shí)間順序，以遺傳學(xué)發(fā)展中對(duì)“交叉互換”內(nèi)容的研究和探索歷程為主線，結(jié)合從細(xì)胞水平到染色體水平再到 DNA 分子水平的不同層面的幾個(gè)模型，談同源染色體“交叉互換”的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，以期對(duì)該部分內(nèi)容進(jìn)行廣泛認(rèn)識(shí)和透徹理解，提高教學(xué)拓展的科學(xué)性、準(zhǔn)確性、邏輯性和有效性。

【關(guān)鍵詞】交叉互換 斷裂重接 鏈侵入 交聯(lián)橋 分支遷移 Holliday中間體

【中圖分類號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2018）01B-0026-04

人教版教材《生物·必修2·遺傳與進(jìn)化》有關(guān)“交叉互換”的知識(shí)共出現(xiàn)了 2 次。在第 2 章第 1 節(jié)“減數(shù)分裂和受精作用”（P18）提到，四分體中的非姐妹染色單體之間經(jīng)常發(fā)生纏繞，并交換一部分片段（染色體交叉互換，圖 1）。在第 5 章第 1 節(jié)“基因突變和基因重組”（P83）提到，另一種類型的基因重組發(fā)生在減數(shù)分裂形成四分體時(shí)期，位于同源染色體上的等位基因有時(shí)會(huì)隨著非姐妹染色單體的交換而發(fā)生互換，導(dǎo)致染色單體上的基因重組。

在目前實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，對(duì)于基因重組類型之一的“交叉互換”內(nèi)容的理解，存在兩種觀點(diǎn)，“先交叉后互換，交叉導(dǎo)致互換”（人教版）與“先互換后交叉，交叉是互換的結(jié)果”（蘇教版與浙教版）。究其原因，主要還是在于對(duì)“交叉互換”的理解角度和深度不同。趙沛榮、周慶兩位老師在《中學(xué)生物教學(xué)》2016 年第 3 期發(fā)表的《深度探討“基因重組”概念教學(xué)的疑難問題》一文中，通過(guò)比較分析人教版、蘇教版、浙科版 3 個(gè)版本教材的相關(guān)文本描述內(nèi)容，并結(jié)合減數(shù)第一次分裂前期 5 個(gè)亞時(shí)期中的偶線期（同源染色體開始聯(lián)會(huì)）、粗線期（同源染色體非姐妹染色單體間互換片段）、雙線期（非姐妹染色單體間可見有形的交叉結(jié)）染色體形態(tài)和行為上歷經(jīng)的變化，以細(xì)胞學(xué)水平層面的證據(jù)認(rèn)同上述后者觀點(diǎn)。余驥老師在《中學(xué)生物教學(xué)》2017 年第 1～2 期發(fā)表的《淺析同源染色體“交叉”和“互換”的關(guān)系》一文中，通過(guò)剖析聯(lián)會(huì)復(fù)合體（SC）參與的同源染色體的聯(lián)會(huì)和互換，并結(jié)合一系列酶促反應(yīng)介導(dǎo)的“交叉互換”過(guò)程的“Meselson-Radding 模型”的分析，辨析了同源染色體“交叉”和“互換”的關(guān)系：粗線期分子水平的“交叉”引起同源染色體的遺傳學(xué)“互換”（人教版?zhèn)戎貜?qiáng)調(diào)），“互換”未完成導(dǎo)致產(chǎn)生雙線期細(xì)胞水平的“交叉”現(xiàn)象（蘇教版與浙教版?zhèn)戎仃P(guān)注）。余老師從分子水平和細(xì)胞水平層面對(duì)“交叉”和“互換”關(guān)系的深度整合探析，充分說(shuō)明了上述兩種看似截然相反的觀點(diǎn)其實(shí)并不矛盾，只是側(cè)重的方面不同而已。

為了更全面深入地理解“交叉互換”以及“交叉”和“互換”的關(guān)系，有必要厘清同源染色體的“交叉互換”究竟是如何實(shí)現(xiàn)的？筆者通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，按照時(shí)間及由現(xiàn)象到本質(zhì)的邏輯順序，循序漸進(jìn)，介紹“交叉互換”的理論模型，解讀“交叉互換”的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，建構(gòu)“交叉互換”研究?jī)?nèi)容的整體性、連貫化體系。

一、經(jīng)典遺傳學(xué)“交叉互換”的理論模型

（一）交叉型模型

交叉型模型也叫交叉型假說(shuō)，是比利時(shí)細(xì)胞學(xué)家 Janssens 以兩棲類蠑螈和直翅目昆蟲為研究材料，根據(jù)減數(shù)分裂觀察，于 1909 年在摩爾根等人確立遺傳的染色體學(xué)說(shuō)之前提出的，這是有關(guān)染色體交叉互換的最早理論。

1.要點(diǎn)

該假說(shuō)認(rèn)為，在減數(shù)分裂前期 Ⅰ，尤其是雙線期，聯(lián)會(huì)配對(duì)的同源染色體不是簡(jiǎn)單地平行靠攏，而是在非姐妹染色單體間某些點(diǎn)顯示出交叉纏結(jié)的圖像，即發(fā)生交叉，每一個(gè)交叉可形成有形的交叉結(jié)，這是同源染色體間對(duì)應(yīng)片段發(fā)生過(guò)斷裂、重接和互換的地方。該學(xué)說(shuō)的核心是，交叉是互換的結(jié)果，而不是互換的原因。也就是說(shuō)，遺傳學(xué)上的互換發(fā)生在細(xì)胞學(xué)上觀察到的交叉現(xiàn)象出現(xiàn)之前。一個(gè)交叉代表一次互換，根據(jù)圖 2 所示（下頁(yè)），可判斷互換曾發(fā)生在非姐妹染色單體 2 和 3 及 2 和 4 之間。一般情況下，染色體愈長(zhǎng)，顯微鏡下觀察到的交叉數(shù)愈多，說(shuō)明互換的次數(shù)愈多，如教材中呈現(xiàn)的上述圖 1 染色體交叉互換的照片，顯示發(fā)生過(guò)多次交換。

2.意義與局限性

Janssens 的模型從細(xì)胞學(xué)水平層面推斷了互換與交叉的先后關(guān)系，描述了同源染色體的非姐妹染色單體通過(guò)斷裂重接進(jìn)而實(shí)現(xiàn)交叉互換，其假說(shuō)內(nèi)容在后續(xù)的研究中逐步得到了證實(shí)，為以后的交叉互換模型建構(gòu)奠定了理論基礎(chǔ)和提供了原型。但遭到細(xì)胞學(xué)家的反對(duì)，因?yàn)楫?dāng)時(shí)從顯微圖像上找不到任何有關(guān)斷裂和重接的細(xì)胞學(xué)證據(jù)，而且該模型未能進(jìn)一步說(shuō)明同源染色體的非姐妹染色單體片段為何斷裂重接進(jìn)而實(shí)現(xiàn)交叉互換的原因。

（二）斷裂愈合（重接）模型

這個(gè)模型是基于 Janssens 的交叉型模型，由英國(guó)細(xì)胞學(xué)家 Darlington 在 1937 年提出來(lái)的，受到較為廣泛的關(guān)注。

1.要點(diǎn)

減數(shù)第一次分裂前期，同源染色體間由于引力而相互吸引，進(jìn)行聯(lián)會(huì)。在聯(lián)會(huì)時(shí)，兩同源染色體互相纏繞，形成相關(guān)螺旋，此時(shí)染色體間扭力和染色體內(nèi)扭力保持平衡。但兩對(duì)姐妹染色單體間由于斥力又互相排斥，斥力代替引力，使平衡受到破壞，為了恢復(fù)平衡，兩個(gè)非姐妹染色單體在同一位點(diǎn)上同時(shí)斷裂。染色單體斷裂后，斷裂端圍繞各自染色體上未斷裂的染色單體旋轉(zhuǎn)，螺旋部分松開，在此過(guò)程中，兩個(gè)非姐妹染色單體的相應(yīng)斷裂端交錯(cuò)重接，重新愈合，互換片段，形成交叉，產(chǎn)生重組的染色單體（圖 3）。

2.意義與局限性

Darlington 的模型從染色體水平層面闡釋了同源染色體的非姐妹染色單體斷裂重接的原因，揭示了同源染色體交叉互換的機(jī)理。1961 年 Meselson 與 Weigle 用放射性同位素標(biāo)記兩個(gè) λ 噬菌體同時(shí)感染大腸桿菌的實(shí)驗(yàn)和 1978 年 Tease 與 Jones 運(yùn)用姐妹染色單體差別化染色法（SCD）直接檢測(cè)交叉互換的實(shí)驗(yàn)，為斷裂愈合模型提供了確鑿可靠的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。該模型清楚體現(xiàn)了互換與交叉的先后關(guān)系，能解釋大量正常對(duì)等交叉互換（如上述圖 1 的染色體交叉互換示意圖）的原因，是一個(gè)很好的模型，不少學(xué)者認(rèn)為上述的斷裂重接過(guò)程在交叉互換或遺傳重組中起著中心作用。根據(jù)斷裂重接模型，發(fā)生一次對(duì)等交叉互換后所形成的 4 個(gè)染色單體中，必然有兩個(gè)是親代類型，兩個(gè)是重組類型。但在當(dāng)時(shí)，對(duì)少數(shù)異常的不對(duì)等交叉互換缺乏認(rèn)識(shí)，無(wú)法解釋；同時(shí)由于受到當(dāng)時(shí)遺傳學(xué)發(fā)展的限制，該模型無(wú)法從更深入的分子水平層面解釋如何斷裂重接實(shí)現(xiàn)交叉互換的生化過(guò)程的細(xì)節(jié)。直至 1953 年沃森和克里克揭示了 DNA 分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)，才使得遺傳學(xué)的研究進(jìn)入了分子遺傳學(xué)階段，不少學(xué)者開始探索研究“交叉互換”的分子機(jī)制。

二、分子遺傳學(xué)“交叉互換”的理論模型

（一）Holliday 模型

英國(guó)生物學(xué)家 Holliday 于 1964 年提出的雜合 DNA 模型，現(xiàn)又稱為 Holliday 模型或雙鏈侵入模型，受到多數(shù)學(xué)者的支持，以后又經(jīng)一些學(xué)者和 Holliday 本人的修改。這個(gè)模型能很好說(shuō)明交叉互換的分子機(jī)制，適用于原核生物和真核生物。根據(jù)這個(gè)模型，交叉互換過(guò)程分為幾個(gè)階段，如圖 4（下頁(yè)）所示：

（1）同源染色體聯(lián)會(huì)時(shí)，非姐妹染色單體的 DNA 分子配合在一起；（2）核酸內(nèi)切酶（DNA 內(nèi)切酶）識(shí)別 DNA 分子上相應(yīng)位點(diǎn)，在相同位置上同時(shí)切開非姐妹染色單體 DNA 中兩個(gè)方向相同的單鏈（3′→ 5′或 5′→ 3′）的磷酸二酯鍵；（3）兩斷鏈從斷裂點(diǎn)脫開，螺旋局部放松，單鏈交叉準(zhǔn)備重接；（4）在 DNA 連接酶的作用下，斷鏈交換連接，DNA 雙鏈侵入，形成交聯(lián)橋結(jié)構(gòu)；（5）交聯(lián)橋位置可以靠拉鏈?zhǔn)交顒?dòng)沿著配對(duì) DNA 分子移動(dòng)，分支進(jìn)行遷移。其中互補(bǔ)堿基間形成的氫鍵從一條親本鏈改為另一條親本鏈，使遷移后兩個(gè)親本 DNA 分子都出現(xiàn)異源雙鏈 DNA 區(qū)域；（6）交聯(lián)橋結(jié)構(gòu)環(huán)繞另外兩條 DNA 單鏈旋轉(zhuǎn)成十字形構(gòu)型，又稱為 Holliday 結(jié)構(gòu)；（7）（6）形成的構(gòu)型繞交聯(lián)橋旋轉(zhuǎn) 180°，形成 Holliday 結(jié)構(gòu)的異構(gòu)體（中間體）；（8）Holliday 中間體通過(guò)兩種方式進(jìn)行拆分，通過(guò)核酸內(nèi)切酶在交聯(lián)部分切斷 DNA 單鏈，消除交聯(lián)體，恢復(fù)為兩個(gè)線性 DNA 分子；（9）（10）左右切斷形成的線性 DNA 分子保持親代類型，上下切斷形成的線性 DNA 分子產(chǎn)生重組類型，DNA 連接酶催化單鏈缺口的磷酸二酯鍵形成。無(wú)論哪種拆分形成的線性 DNA 分子上的異源區(qū)段都存在不配對(duì)的核苷酸堿基序列，在 DNA 分子中造成歪斜，首先由核酸外切酶切除，留下單鏈缺口；然后在 DNA 聚合酶的作用下，以一條鏈為模板合成具有互補(bǔ)堿基的區(qū)段，填補(bǔ)缺口；再由 DNA 連接酶把新合成的短鏈以磷酸二酯鍵連接上去，形成連續(xù)完整的核苷酸鏈，完成修復(fù)即實(shí)現(xiàn) DNA 分子的片段互換。總之，互換是一系列酶促反應(yīng)的有序過(guò)程。

按照 Holliday 模型的描述，兩個(gè)同源 DNA 分子需在相同位置同時(shí)切開一條單鏈，形成兩個(gè)單鏈切口，進(jìn)而在切口處發(fā)生交叉互換，產(chǎn)生對(duì)稱的雜合雙鏈。而實(shí)際上，細(xì)胞中 DNA 分子經(jīng)常發(fā)生單鏈斷裂，很少兩個(gè)同源 DNA 分子同時(shí)斷裂，同時(shí)也存在不對(duì)等（稱）交叉互換等異常現(xiàn)象，Holliday 模型存在不完善的地方。

（二）Meselson-Radding 模型

1975 年，Meselson 和 Radding 對(duì)上述 Holliday 模型進(jìn)行修改的基礎(chǔ)上提出了 Meselson-Radding 模型，也稱為單鏈侵入模型，較好地解釋了不對(duì)等（稱）交叉互換現(xiàn)象，是目前被廣泛接受的模型。該模型分為幾個(gè)主要步驟，如圖5所示：

（a）同源聯(lián)會(huì)的兩個(gè)雙鏈 DNA 分子，僅有一個(gè) DNA 一條鏈由 DNA 內(nèi)切酶作用產(chǎn)生一個(gè)單鏈切口；（b）切口處的 5′端局部解鏈，DNA 聚合酶從切口處的 3′端開始合成新鏈，填補(bǔ)解鏈后的單鏈缺口，將原有鏈逐步置換出來(lái)；（c）隨后，被置換出來(lái)的 DNA 單鏈區(qū)段 5′端侵入到另一個(gè)完整 DNA 分子的雙螺旋中，取代其同源單鏈并與其互補(bǔ)鏈配對(duì)，被取代的單鏈區(qū)段形成 D 環(huán)（單鏈泡）；（d）D 環(huán)（單鏈泡）單鏈區(qū)隨后被核酸酶切除降解掉；（e）在 DNA 連接酶作用下，產(chǎn)生的游離 3′端與入侵單鏈的 5′端連接，游離 5′端與斷裂 DNA 分子新合成單鏈（延伸單鏈，虛線部分）區(qū)段 3′端連接，單鏈交叉形成交聯(lián)橋，此時(shí)只有一個(gè) DNA 分子（下面 DNA）含有異源雙鏈區(qū)段，上面 DNA 沒有；（f）在核酸內(nèi)切酶作用下，交聯(lián)橋斷裂，再由 DNA 連接酶連接斷裂單鏈形成不對(duì)稱互換片段的 DNA 分子，或者 DNA 扭曲螺旋后異構(gòu)化形成 Holliday 中間體；（g）通過(guò)分支遷移即可在兩個(gè) DNA 分子上形成異源雙鏈區(qū)段，隨后的過(guò)程與 Holliday 模型一樣。異源雙鏈區(qū)段的錯(cuò)配堿基也需要依靠酶的作用修復(fù)。

（三）Szostak 模型

交叉互換是一個(gè)復(fù)雜的分子變化過(guò)程，也有許多實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，交叉互換可由同一個(gè) DNA 分子的雙鏈斷裂啟動(dòng)。1983 年 Szostak 基于酵母菌減數(shù)分裂的交叉互換啟動(dòng)需要雙鏈切口的事實(shí)，提出了雙鏈斷裂重組模型（DSBR 模型），現(xiàn)又稱為 Szostak 模型。該模型描述的交叉互換過(guò)程是這樣的（如圖 6 所示）：

A.首先由核酸內(nèi)切酶水解兩個(gè)同源 DNA 分子中的一個(gè) DNA 雙鏈的磷酸二酯鍵，導(dǎo)致該 DNA 分子雙鏈斷裂，另一個(gè) DNA 雙鏈保持完整；B.由核酸外切酶作用，擴(kuò)大斷裂 DNA 分子的雙鏈切口而產(chǎn)生具有 3′單鏈末端缺口的空隙；C.斷裂鏈的游離 3′端侵入另一個(gè)完整同源 DNA 分子的雙鏈，取代其同源單鏈并與其互補(bǔ)鏈配對(duì)，被取代的單鏈產(chǎn)生 D 環(huán)；D.在 DNA 聚合酶的作用下，入侵的單鏈與另一條斷裂的單鏈分別以完整鏈為模板，按照 5′端向 3′端方向開始 DNA 單鏈合成延伸（圖中虛線箭頭所示）；E.由 DNA 連接酶將兩條合成單鏈上的缺口連接形成完整單鏈，同時(shí)入侵單鏈與被置換單鏈 D 環(huán)交叉，形成兩個(gè)交聯(lián)橋；F.在酶的作用下，交聯(lián)橋向兩側(cè)遷移（分支遷移），進(jìn)行錯(cuò)誤配對(duì)堿基的修復(fù)；G 和 H 兩 DNA 分子通過(guò)如圖的兩種方式斷裂，并在 DNA 連接酶的作用下，進(jìn)行重接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)互換。

關(guān)于“交叉互換”的分子機(jī)制除了上述模型以外，目前還存在由 Nasmyth 于 1982 年提出，Nassif 等于 1994 年命名的 SDSA 模型（合成依賴退火模型），該模型仍缺乏足夠可靠的實(shí)驗(yàn)證據(jù)；F.L.Lin 等于 1984 年提出的 SSA 模型（單鏈退火模型），這為全面深入理解交叉互換提供了全新思路和嶄新模式。總之，隨著分子生物學(xué)和遺傳學(xué)的不斷發(fā)展，人們對(duì)交叉互換的基因重組的分子機(jī)制的研究必將有更多發(fā)展，精準(zhǔn)、全面、完善的互換機(jī)理定會(huì)逐步揭示出來(lái)。

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（責(zé)編 盧建龍）