Cell：基因组重组过程新机制

billkof

报道：2007年Science十大科学进展之首即人类基因组差异，科学家们发现在DNA上亿个碱基中，成千到上百万的碱基可能丢失、增加、或以某种方式被拷贝，这些变化在几代人内能改变基因的活性。

基因组重组（Genome rearrangements，生物谷注）导致基因拷贝数出现个体差异，这一过程主要发生在细胞分裂DNA复制之后开启了一个不同的遗传“模板”这一细胞过程。在本期（12月28日）的Cell杂志上，来自贝勒医学院（Baylor College of Medicine，BCM，生物谷注）分子与人类遗传系，小儿科系，德州儿童医院的研究人员发现了这一细胞过程中的新机制：复制叉停滞和模板转换（Fork Stalling and Template Switching，生物谷注）。

这一研究发现不仅提出了一种基因组产生DNA拷贝数差异的新方式，而且也证明了拷贝数差异会出现在细胞生活史中不同的时间点——在细胞分裂成两个的时候DNA发生复制。领导这一研究的是BCM分子与人类遗传系副主任James R. Lupski，他也是一位小儿科的教授。

拷贝数差异包括人类基因组结构上的变化，这会引起基因（或部分基因）的缺失或增多，一般而言，整个过程与疾病相关，也与基因组自身的进化有关。

当一个细胞分裂的时候，需要产生两套DNA，这样母细胞和子细胞才能得到相同的遗传信息，这也就意味着DNA需要复制。在这个过程中，一个称为解旋酶（helicase）的蛋白催化分离两条DNA链，破坏 A－T 和 G－C之间的氢键，这两个分离的DNA链就会形成复制叉。其中一条链上，DNA聚合酶以DNA链为模板逐个解读遗传信息，然后复制出一条互补链，这样重新形成A－T 和 G－C连接，这个过程是连续的。而在复制叉上的另外一条链，即滞后链上，会通过RNA及一系列的酶形成短小的片段。

在20世纪90年代，研究人员希望了解在这一过程中，遗传突变或者分子“排版”（typos，生物谷注）改变，单核苷酸多态性SNPAs，Ts，Cs或Gs中的细微变化的原因，这些SNPs在基因信息中改变。早在这个时期，这篇文章作者Lupski就已经提出了一种有关DNA本身哪些结构被大致复制或删除，以及是什么改变了这种遗传物质中一个基因拷贝的变化数目的新机制。这种“拷贝数变异”为了解遗传突变翻开了一页新的篇章。

Lupski与其之前的研究生Jennifer Lee博士（现为BCM的一名博士后研究员）在他们的实验中发现，当DNA出现一个问题的时候这个过程就会停止，转换到一个不同的模板，拷贝另外一个相似的但是差异性很大的DNA，之后才会回到原有的区域。

之前，Lupski等人识别出了遗传物质重组导致拷贝数差异的两种不同的途径，但是，当Lee进行一种称为佩-梅病（Pelizaeus-Merzbacher Disease，是一种X染色体连锁隐性遗传病，由于中枢神经系统鞘磷脂蛋白脂蛋白1的缺陷使神经髓鞘合成障碍，导致正常的髓鞘形成减少，生物谷注）研究的时候，她发现用之前有关DNA重组的理论不能解释基因组中的变化。

患有佩-梅病的患者基因组上结构的变化，个体之间并不相同，在某些位置，复制的遗传物质与邻近的相似，但是会插入到另外一个复制中，Lee表示，问题是如何它们能延伸过去的。

复制叉停滞和模板转换（Fork Stalling and Template Switching，生物谷注）这一机制就解释了这一现象。

Lupski表示，“复制停下来后并不会在原初位置重新启动，而是转换到另外一个不同的模板上”，通常这出现在有许多核苷酸重新序列，形成特殊结构的地方，这种结构有利于模板转换。

“这也许能在基因组的任何地方出现，而且也许能帮助我们在任何想要的基因上改变拷贝数”，Lupski说。这甚至在进化上扮演了重要角色，一
些变化也许能让生物体更容易在特殊环境，或者压力条件下生存。


推荐英文原文：

Cell, Vol 131, 1235-1247, 28 December 2007

Article

A DNA Replication Mechanism for Generating Nonrecurrent Rearrangements Associated with Genomic Disorders

Jennifer A. Lee,1 Claudia M.B. Carvalho,1 and James R. Lupski1,2,3,

1 Department of Molecular and Human Genetics, Baylor College of Medicine, Houston, TX, 77030, USA
2 Department of Pediatrics, Baylor College of Medicine, Houston, TX, 77030, USA
3 Texas Children's Hospital, Houston, TX, 77030, USA


Corresponding author
James R. Lupski
jlupski@bcm.tmc.edu

The prevailing mechanism for recurrent and some nonrecurrent rearrangements causing genomic disorders is nonallelic homologous recombination (NAHR) between region-specific low-copy repeats (LCRs). For other nonrecurrent rearrangements, nonhomologous end joining (NHEJ) is implicated. Pelizaeus-Merzbacher disease (PMD) is an X-linked dysmyelinating disorder caused most frequently (60%–70%) by nonrecurrent duplication of the dosage-sensitive proteolipid protein 1 (PLP1) gene but also by nonrecurrent deletion or point mutations. Many PLP1 duplication junctions are refractory to breakpoint sequence analysis, an observation inconsistent with a simple recombination mechanism. Our current analysis of junction sequences in PMD patients confirms the occurrence of simple tandem PLP1 duplications but also uncovers evidence for sequence complexity at some junctions. These data are consistent with a replication-based mechanism that we term FoSTeS, for replication Fork Stalling and Template Switching. We propose that complex duplication and deletion rearrangements associated with PMD, and potentially other nonrecurrent rearrangements, may be explained by this replication-based mechanism

名词解释：

1.佩-梅病(Pelizaeus-Merzbacher disease，PMD)是一组罕见的不同的疾病组合的总称，为一种嗜苏丹脑白质营养不良。嗜苏丹为一种染色性质，由某种偶氮化合物与脂质反应形成，阳性染色提示髓鞘溶解破坏。Pelizaeus(1885)首次报道本病，认为是一种遗传性中枢神经系统变性病，病理特点是髓鞘脱失，最初主要影响男性。本病的流行率可能为1/10万。目前，遗传与分子学研究认为佩-梅病主要是性连锁隐性遗传病，致病基因为人类蛋白脂蛋白(proteolipid protein，PLP)基因，这种基因位于X染色体(Xq22)上，由7个外显子组成，大小17kb，编码中枢神经系统大部分髓鞘蛋白。本病与PLP基因多种多样的突变有关，最常见是点突变导致单个氨基酸置换。此外无义突变、RNA剪切缺陷以及整个PLP基因缺失或基因功能失活等均可导致本病，部分病人为常染色体隐性遗传。

2.所谓“人类基因组差异”，研究的不是ＤＮＡ（脱氧核糖核酸）上有遗传意义的片断——基因，而是ＤＮＡ的基本组成单元——单核苷酸之间的碱基差别，即所谓的单核苷酸多态性。

《科学》杂志负责评选工作的编辑罗伯特·孔茨说：“多年来，我们一直谈人与人如何相像，甚至人与猿如何地类似。２００７年的几项前沿研究则使我们第一次了解到，人与人的ＤＮＡ之间也存在很大不同。”

孔茨说，这是一个概念性认知上的飞跃，将会对从医生治病到我们看待自己以及保护个人隐私等很多事件产生影响。今年，有十多个研究项目采用了全基因组关联分析方法研究单核苷酸多态性，这种分析方法是通过比较病人和健康者的ＤＮＡ，来确定哪些微小差异会带来疾病风险。

《科学》杂志说，这种分析方法使人们对许多疾病有了新认识。在此基础上，科学家找到了与心房颤动、自体免疫性疾病、躁狂抑郁症、乳腺癌、结肠癌、１型和２型糖尿病、心脏病、高血压、多发性硬化症以及风湿性关节炎等疾病相关的基因。

此外，今年诞生了一个新的行业，那就是个体基因组测序。今年５月，ＤＮＡ双螺旋结构发现者之一的詹姆斯·沃森成为世界上首个拥有这种图谱的人。然而，这种测序的费用介于３０万美元至１００万美元之间，对多数人来说还是太贵了。

不过，随着技术进步，测序成本有望在不久的将来大大降低。当这一天到来时，许多人将会拥有自己的个体基因组图谱，这将使他们知道自己容易罹患哪些疾病。