基因转换的生物学意义及分子机制BIOX.CN来源：Biox.cn2008年11月25日09:40基因转换(geneconversion)是指遗传信息从一个分子向其同源分子单向传递的过程，使受体序列部分或者全部被供体序列所替代，而供体本身的序列不变。这种现象不仅在真菌中普遍存在，在线虫和哺乳动物中也存在。迄今已知该现象在原核生物和真核生物中均普遍存在。深入的研究表明基因转换在基因的致同进化(concertedevolution)、降低突变率等方面均有重要作用。本文则主要对在其他不同生物类群上的研究情况以及基因转换的分子机制等方面取得的新进展做一概述。1.不同生物类群中基因转换及其生物学意义从细菌到植物乃至高等的哺乳动物，大多数非编码重复基因(研究最多的是多拷贝rRNA基因)和多基因家族都是通过该机制保持其多拷贝基因序列的一致性，它是致同进化现象的背后机制。1.1原核生物中的基因转换现象在多种原核生物上，研究表明基因转换导致了它们的多拷贝rRNA操纵子的基因致同进化现象。女口：在大肠杆菌中有七个rRNA操纵子，rrnA、B、C、D、E、G和H,每个操纵子上rRNA基因的排列顺序为16S-23S-5S,编码rRNA的基因rrn往往是多拷贝的。Ammons等在研究敲除5SrRNA基因对细胞的影响时，发现rrnB操纵子上敲除了其中一个5SrRNA基因后它可以通过基因转换的方式从别的操纵子上重新获得。在副溶血弧菌的一个菌株的基因组中有11个拷贝的rRNA操纵子，其中10个位于1号染色体上，另一个位于2号染色体上,其16SrRNA基因序列是完全相同的;而在另一菌株中则含有两类操纵子，其中7个为一类型，另外4个为另一类型，它们的差异是在编码16SrRNA可变的主干环的25bp中有10bp的差异，Gonzalez-Escalona等认为这种操纵子的差异是基因转换的结果。在分析比较肠球菌属16SRNA序列时，发现在三个亲缘关系很近的种属菌株基因中的相同位置都含有一段相同的可变区域，这种情况被认为是因为在不同种属16SRNA操纵子之间发生了基因转换而实现了遗传信息的传递的结果。从以上可知，基因转换可以发生在同一菌株内的多拷贝基因之间，也可以发生在不同菌株的同一基因之间。其作用是使这些多拷贝的基因序列保持一致。5J3的外切23ZZEJSIT小伴有交熱的墓仁转按交换发卞位心两憐庁列问的空换图1基因转换机制的酎甌樓型M1.2植物中的基因转换现象植物中也发现了基因转换的现象，但不只集中在rRNA基因上，它是反转录转座子的序列以及质体中的基因组序列保持高度一致的机制。黄花烟草(Nicotianarustica)是一种异源四倍体，是由圆锥烟草和波叶烟草天然杂种的染色体数加倍形成的。研究发现黄花烟草中的rDNA和IGS区(intergenicspacerregion)都是波叶烟草型的，因而认为这是定向基因转换而导致的。反转录转座子以高拷贝在植物界广泛分布，这类移动元件怎样保持各拷贝间序列高度相似性一直不得而知。最近提出这就是基因转换所实现的。如Kejnovsky等在蝇子草中发现了一种新的反转录转座子Retand,它活跃转录且大量存在，经分析蝇子草的X、Y和常染色体，分离到Retand的LTR(longterminalrepeat),并发现X、Y染色体的LTRs比常染色体的有更低的核酸位点多态性,尤其是Y染色体的LTRs之间的一致性非常高，这被认为是基因转换所致。n5*至買时外切y=两谥之间的斤换*不胖甫霆换的峯開转换霍牛退火)DKA刚请缺11(0*51：3外创fAiWW、发生退火不徉有空换的基因转换伴有交换的丛隔转做不伴脊交换的伴肴交换的址因转撫茎碉转撫图莒基因转换机制的沁SA模型现在高等植物中存在的一些无性繁殖系统,如质体和线粒体,它们一般是多倍体的。有证据表明它们基因的突变率远远低于细胞核。Khakhlova等在转基因烟草的质体的基因上人工引进突变而后跟踪观察,发现经过三代后引进的突变被原来的野生型完全替代。因此认为在烟草的质体中发生了基因转换,并进而认为这正是降低多倍体无性繁殖系统的突变率的机制。1.3动物中的基因转换现象在蚂蝗、鲟鱼、果蝇、蜥蜴和人类等动物的核基因组中都发现有基因转换现象。以蜥蜴为例，它是一种孤雌生殖的异源三倍体，进行营养繁殖，其rDNA的重复序列通过基因转换已高度纯合。这些三倍体蜥蜴有几千年历史，只进行无性繁殖，很少或无遗传重组，且rDNA的基因座位没减少，但其中一个亲本的rDNA类型已消失，说明基因转换可以在一个很短的进化时间内完成。近年来在人类基因组中发现的基因转换的例子日渐增多。最早报道的是在globin基因中，后来发现座位间的基因转换(inter-locusgeneconversion)事件也普遍存在于人的许多基因家族中。如Rh血型抗原基因RHD和RHCE,a-interferon基因，g-crystallin基因以及chemokine受体基因CCR2和CCR5和Alu元件等。另外，有人在分析人类Y染色体大量回文结构时认为在新生男婴中可能发生了Y-Y基因转换事件使得回文结构序列保持高度一致。1.4原生生物中的基因转换现象疟原虫、利氏曼原虫等的rRNA序列的高度一致也认为是通过基因转换实现的。Enea等在研究疟原虫的rRNA的进化时比较了恶性疟原虫和伯氏疟原虫的rRNA序列，发现它们的rRNA基因并非由同一祖先独立进化而来的，而是通过基因转换的方式实现物种间基因致同进化的。贾第虫被认为是一种极原始的原生生物。大部分证据都认为其至少为四倍体，不存在有性生殖方式，而其等位基因序列之间的差异非常低，远低于0.1%，我们初步的研究结果提示可能存在基因转换这种机制保持这种高度等同。2.基因转换分子机制的研究进展人们最初是用已有的重组模型来解释基因转换的发生机制，但随着研究的深入，逐渐提出了基因转换自身的机制模型。目前普遍接受的有两种：双链断裂修补模型(double-strandbreakrepair，DSBR)和合成依赖退火模型(synthesis-dependentstrandannealing,SDSA)。均是基于早期的重组模型：Holliday模型和Meselson-Radding模型建立的。2.1DSBR模型(图1)由Szostak等于1983年提出。其主要特点是起始于双链DNA缺口即DSB而得名，这不同于前述的两种同源重组模型均起始于单链缺口DSB产生后，同源的DNA双螺旋可以作为模板成为遗传信息的供体，通过形成D-loop和两个Hollidayjunctions(HJs)达到链的交换和缺口的修补。在形成D-loop和HJs后而开始DNA合成之前，供体中的一条链会和受体的一条链各自进行互补配对，此时不配对的碱基则被切除而代之正确配对的碱基。在此过程中，基因转换是对异源双链DNA的错配修复而不是像以前认为的是简单的对双链缺口的修复。这种通过异源双链区内不配对碱基的修复而进行基因校正的过程即为基因转换，Orr-Weaver等的质粒转化实验为该模型提供了证据。他们将带有缺口的质粒转到酵母体内，该质粒缺口处含有与酵母染色体同源的序列，结果观察到一半的质粒缺口被修复，该处含有了酵母染色体的一段序列；而另外一半的质粒整合到酵母的染色体上。这同时也说明在此过程中分别产生了各一半交换和非交换的产物。该模型解决了上述两种重组模型没有解决的诸多问题。首先，解释了DNA损伤的位点一般为基因转换的受体位点。其次，形成两个HJ,这使得交换既可发生在非孟德尔分离位点的上游也可在下游。该模型对减数分裂重组的许多特征都可给出合理解释，HJs结构作为重组中间体也已被鉴定出来。然而因为该模型预测会产生相同数量交换和非交换产物，不能解释在有丝分裂中产生的比率较低(8%)的交换产物的情况。为此，Allers和Lichten对该模型进行了修改，提出了SDSA模型。2.2SDSA模型(图2)该模型同样起始于DSB，一侧的3-端首先发生链的侵入，当其侵入同源序列后即开始合成新的DNA链，合成到达另外一端则与另一端静止的3-端连接，两条新合成的DNA链回到断裂的分子中结合在一起，而模板链则回到原来的位置，即DNA合成是全保留式的，这不同于DSBR模型中的半保留复制；该模型另一个特点是一般只产生非交换的产物。在酵母和线虫中有很多研究结果都支持该模型。该模型是用来解释不伴有交换的基因转换，然而，Ferguson和Holloman等认为SDSA中可能伴有交换，于是提出了另一种版本的SDSA：由于第一个3-游离末端侵入产生的D-loop可以与另一游离3-端退火结合，并以D-loop为模板合成新的DNA，这样即可以产生一个HJ。Paques等则认为形成的是双HJs,HJ可以通过两种方式被切开，产生交换的产物。目前只在果蝇中有一个证据认为SDSA模型中伴有交换。除了以上两种经典模型外，还有人提出了修复复制叉捕捉模型(repairreplicationforkcapture)、双HJ分解模型。前者首次提出基因转换过程中可能不只涉及到前导链DNA的聚合，也可能同时存在滞后链DNA的复制。Ira和Wu在酵母中发现一些基因如Srs2、Sgs1-Top3、BLM等会抑制SDSA模型中交换的发生而使双HJ结构分解，由此提出了双HJ分解模型。虽然已有多种模型，但是目前还不清楚哪种模型可以独立完成基因转换，一般认为可能由几种模型相互协作共同来完成。每一模型的发生是受到很多因素影响的，需要多种酶的调节。目前已经鉴定出了许多跟基因转换相关的基因，如Spoil对于DSB的形成是必须的，双HJ分解模型中BLM、TopoIII和BLAP75共同作用分解双HJ结构，但是这些酶是如何执行这些功能的还不明确，还需要更多的实验证据。