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doi:10.3969/j.issn.0253-9608.2015.04.007
DNA同源重组机制的确立
向义和†
清华大学物理系，北京 100084
摘要 介绍了DNA同源重组机制确立的过程。其主要内容包括基因连锁和重组现象的发现，交叉假设的提出，断裂重接假设和复制选择假设的出现，同源重组的三个模型(Holliday模型、单链断裂模型和双链断裂模型)的确立。关键词 连锁基因；同源重组；交叉假设；Holliday模型；单链断裂模型；双链断裂模型
DNA 重组(recombination)是指发生在DNA 分子内部或DNA 分子之间核苷酸序列的交换、重排和转移现象，是已有遗传物质的重新组合过程。同源重组(homologous recombination)是在两个DNA 分子的同源序列之间直接进行交换的一种重组形式。进行交换的同源序列可能是完全相同的，也可能是非常相近的。同源生物体通过重组可以产生新的基因或等位基因的组合，还可以提高种群内遗传物质的多样性，而人们可使用同源重组进行遗传作图。
本文介绍了DNA 同源重组机制确立的过程。20世纪初发现了基因连锁和重组现象，在探讨重组现象出现的原因时又提出了交叉假设，形成了交换概念。20世纪30年代中期在探讨基因交换的机制时，出现了染色体交换的两种假设：断裂重接假设和复制选择假设。1953年DNA 双螺旋结构发现后，科学家开始在分子水平上探讨同源重组的机制。20世纪60—80年代，科学家分别提出了DNA 同源重组的三种模型：Holliday 模型，单链断裂模型和双链断裂模型。
1 基因连锁和重组现象的发现
1.1 连锁现象的发现
1905年，英国生物学家贝特森(Bateson W.,
1851—1926)和庞尼特(Punnet R. C.)研究香豌豆两对性状的遗传。他们选择的一对性状是花的颜色，有紫色和红色两种；另一对是花粉粒的形状，有长形和圆形两种。将紫花长花粉粒和红花圆花粉粒的植株作亲本进行杂交，结果F 1代都是紫花长花粉粒，可见紫花对红花是显性，长花粉粒对圆花粉粒是显性。将F 1代自交得到的F 2代有紫长、紫圆、红长、红圆4种表型。这4种表型的比率不符合孟德尔的两对遗传因子的分离比9∶3∶3∶1，其中紫长和红圆的表型的比率远远超出9/16和1/16，而相应的紫圆和红长的表型却大大少于3/16(表1)。[1]
表1 香豌豆紫长×红圆杂交试验
F 2紫长紫圆红长红圆总数实得数 4 831390393 1 338 6 952预计数
3 910.5
1 303.5
1 303.5
434.5
6 952
将实验数据与由孟德尔自由组合定律所预期结果相比较，F 2代中性状的亲本组合类型远远多于重组组合的类型。这等于说，两对基因在杂交子代中的组合并不是随机的，在F 1杂种形成配子时，原来属于同一亲本的两个基因更倾向于进入同一配子中，有更多保持亲本原来组合的倾向，而且这种倾向与显隐性无关。这是在自由组合定律方面第一次出现的显著的例外，无疑，这
†通信作者，E-mail ：xiangyhts@
是一个重要的发现。
1.2 重组现象的发现
1910年，美国遗传学家摩尔根(Morgan T. H., 1866—1945)和他的学生布里吉斯(Bridges C. B., 1889—1938)用果蝇进行了大量的杂交试验，研究了两对基因的遗传，发现了完全连锁、不完全连锁和重组现象[1]。
在黑腹果蝇中，灰体(B)对黑体(b)是显性，长翅(V)对残翅(v)为显性，这两对基因在常染色体上。他们将灰体长翅(BBVV)和黑体残翅(bbvv)的果蝇杂交，F1代都是灰体长翅(BbVv)。用F1的杂合体进行下列两种方式的测交，所得到的结果却完全不同。①取F1雄蝇(BbVv)和黑体残翅(bbvv)的雌蝇测交。按两对基因的自由组合定律来预测，应产生灰体长翅(BbVv)、灰体残翅(Bbvv)、黑体长翅(bbVv)、黑体残翅(bbvv)4种表型的后代，且比率为1∶1∶1∶1。可是实验的结果并非如此，而是只有数目相同的灰体长翅(BbVv)和黑体残翅(bbvv)两种类型。②如果用F1雌蝇(BbVv)和黑体残翅(bbvv)的雄蝇测交，后代中就出现了灰体长翅(BbVv)、灰体残翅(Bbvv)、黑体长翅(bbVv)、黑体残翅(bbvv)4种表型，但比率是0.42∶0.08∶0.08∶0.42。
摩尔根的解释是：假定基因B和V同处于一条染色体上，基因b和v同处于同源染色体的另一条染色体上。他将这种处于同一条染色体上的基因遗传时较多地联系在一起的现象称为连锁(linkage)。对于上述第一种测交结果摩尔根称为完全连锁(complete linkage)(图1)。
由于F1杂合雄蝇(BbVv)完全连锁，即在同一染色体上的连锁基因(如B、V基因或b、v基因)100%联系在一起传递到下一代。因此只产生数目相等的两种配子BV和bv，所以和黑体残翅(bbvv)的雌蝇测交时，后代只能有数目相等的灰体长翅(BbVv)和黑体残翅(bbvv)两种类型(图1)。
第2种方式的测交，后代出现数目不等的4种表型，其中亲本的类型远远多于新类型。摩尔根称这种连锁为不完全连锁 (incomplete linkage) (图2)。不完全连锁是指位于同一染色体上的2个或2个以上的等位基因，不总是作为一个整体传递到子代。
图1果蝇的完全连锁
新类型是由于同源染色体上的不同对等位基因之间重新组合的结果，这种现象称为重组(recombination)。在本项测交实验中，出现的新类型共占16%，该数值表示基因Bb和Vv 之间的重组值(recombination value)或重组频率(recombination frequency, RF)。重组值用百分数表示，其计算公式如下：
重组值(RF)=重组型数目/(亲组型数目＋重组型数目)
重组值从0～50%变化。重组值的大小反映了个体在侧交中同一条染色体上的基因的连锁程度。重组值小，亲组型基因的连锁程度大，当重组值是0时，为完全连锁；重组值大，亲组型基因的连锁程度小，当重组值达到50%，则4种配子成1∶1∶1∶1的比例，也就是自由组合了。
大量的实验资料表明，连锁现象在生物界普遍存在。凡是位于同一条染色体上的基因群，均称为一个连锁群(linkage group)。摩尔根等在1914年已发现黑腹果蝇有4个连锁群，到1967年，在果蝇中至少测定了将近1 000个基因分别属于这4个连锁群。在遗传学上，凡是充分研究过的生物中，连锁群的数目都应该等于单倍体染色体数(n)
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