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100多年前，遺傳(chuan) 學家發現了生殖細胞中存在染色體(ti) 重組的現象。這像是一種緩慢但平穩的演化方式，通過每一代生物，讓基因組變得更具多樣性。但就算是一個(ge) 堿基出現異常，也可能會(hui) 導致疾病。直至近期，科學家才弄清楚生物是如何精確控製這個(ge) 過程的。

撰文 | 石雲(yun) 雷

審校 | 吳非

有性生殖的優(you) 勢

20世紀最有影響的遺傳(chuan) 學家之一、諾貝爾獎獲得者赫爾曼·約瑟夫·馬勒（Hermann Joseph Muller）曾提出過一個(ge) 理論，名為(wei) 馬勒的齒輪（Muller's ratchet）。作為(wei) 一個(ge) 利用X射線研究基因突變的科學家，他表示有性生殖相比於(yu) 無性生殖有一個(ge) 很大的優(you) 點：有性生殖的生物在產(chan) 生配子時，會(hui) 經曆一個(ge) 減數分裂的過程，這個(ge) 過程能幫助生物修複嚴(yan) 重的DNA損傷(shang) 。

赫爾曼·約瑟夫·馬勒（圖片來源：諾貝爾獎官網）

在這個(ge) 過程中，染色體(ti) 會(hui) 先複製一次，隨後細胞會(hui) 分裂兩(liang) 次，也就是一個(ge) 母細胞最後會(hui) 產(chan) 生4個(ge) 子細胞。在第一次分裂時，母細胞中來自兩(liang) 個(ge) 親(qin) 本的染色體(ti) 會(hui) 相互配對，它們(men) 互為(wei) 同源染色體(ti) 。如果一條染色體(ti) 存在雙鏈都受損的情況，染色體(ti) 之間可以通過交換、重組來修複損傷(shang) 。而在無性生殖的生物中，由於(yu) 無法進行重組，由DNA損傷(shang) 等情況導致的基因突變會(hui) 不斷累積，最終導致生物死亡。（當然後期的研究證實，一些采取無性生殖的生物如細菌，也能通過其他的方式來有效修複DNA損傷(shang) ，因此馬勒的這一觀點可能並不正確。）

減數分裂時，同源染色體(ti) 之間會(hui) 發生重組。（圖片來源：維基百科）

馬勒提出這個(ge) 觀點，與(yu) 其師從(cong) 的基因學說建立者托馬斯·亨特·摩爾根（Thomas Hunt Morgan）利用果蠅開展的遺傳(chuan) 學研究有關(guan) 。在1916年，他還注意到在果蠅體(ti) 內(nei) ，具有相似的基因組成、能相互配對的染色體(ti) 之間進行片段交換，並不隻是為(wei) 了修複受損的基因，還能進行基因重組，使得各個(ge) 子代的基因組成並不相同。但是，科學界一直並不完全完全清楚基因重組產(chan) 生的具體(ti) 機製。

每一代都在演化

基因突變、基因重組都能促使物種演化。對細菌和病毒等來說，它們(men) 繁殖能力強，在麵對外界壓力時，可以通過快速的基因突變來演化。經過外界壓力的篩選，一個(ge) 種群可能隻遺留下少數突變株，但由於(yu) 其高效的繁殖能力，這些突變株又迅速形成一個(ge) 新種群。

多細胞生物體(ti) 內(nei) 也存在基因突變，但對它們(men) 來說，通過突變來演化並不是一條十分合理、具有效率的途徑。例如，人體(ti) 內(nei) 會(hui) 通過各種方式來修複基因的突變和損傷(shang) ，已有的研究發現，很多基因突變都和各種發育缺陷、癌症等多種疾病相關(guan) 。對於(yu) 有性生殖的生物來說，通過基因重組來擴大後代的基因多樣性，雖然緩慢，但是一種穩定且有效的方式。在這個(ge) 過程中，一個(ge) 常見的疑問是，為(wei) 什麽(me) 兩(liang) 個(ge) 同源染色體(ti) 之間能精準地交換同等大小的片段呢？

可以想象，如果交換的基因片段不相等，就會(hui) 導致一場災難。一個(ge) 比較常見的例子，就是染色體(ti) 易位（非同源染色體(ti) 的片段重新排列組合，交換後會(hui) 使染色體(ti) 的長度發生改變），這個(ge) 過程可能導致胎兒(er) 的染色體(ti) 丟(diu) 失，甚至導致流產(chan) 等多種異常情況。由於(yu) 參與(yu) 有性生殖過程的基因在生物體(ti) 內(nei) 就有保守性，一些科學家嚐試通過研究一些較為(wei) 簡單的生物，來解答這個(ge) 問題，以推進對多種生物的演化、發育的認識。而這次給出這個(ge) 答案的，就是一種采取有性生殖的植物。

一種特別的植物

擬南芥（Arabidopsis thaliana）是一種體(ti) 型十分嬌小的植物，其基因組較小，隻有5對染色體(ti) ，是一種典型的自交植物（采取有性生殖）。和它的“前輩”——孟德爾用於(yu) 發現遺傳(chuan) 學規律的豌豆一樣——這種植物注定要改變人們(men) 對植物生物學和遺傳(chuan) 學的認識。

擬南芥的生長過程（圖片來源：https://elifesciences.org/articles/06100）

2012年，法國讓-皮埃爾·布爾然（Jean-Pierre Bourgin）研究所的科學家在此前研究的基礎上，發現了一種新的蛋白HEI10（一種泛素連接酶），它屬於(yu) 一類被稱為(wei) ZMM的蛋白。後者在減數分裂中主要負責調控同源染色體(ti) 上的基因片段交換。此前的研究已經發現這類蛋白中的多種蛋白各有分工：一些蛋白負責將兩(liang) 條染色體(ti) 拉近，維持穩定的結構，另一些促進DNA的重組。

有一種猜想認為(wei) ，HEI10蛋白的功能會(hui) 有所不同。它在染色體(ti) 上的數量，能影響染色體(ti) 進行重組的次數，或能控製染色體(ti) 發生重組的位點。近期，在一篇發表於(yu) 《自然·通訊》的文章中，來自劍橋大學的研究人員為(wei) 了驗證這一猜想，通過超高分辨率的顯微鏡和數學模型，研究了擬南芥在減數分裂時期，其染色體(ti) 上HEI10蛋白的行為(wei) 。

在染色體(ti) 重組過程中，HEI10蛋白的移動情況，從(cong) 最開始的數百個(ge) 小的聚集體(ti) ，最終隻富集在幾個(ge) 位點。（圖片來源於(yu) 論文）

他們(men) 發現，在最開始時，HEI10蛋白會(hui) 把染色體(ti) 當成一條軌道，在上麵隨機移動，形成很多小的蛋白聚集體(ti) 。隨著時間流逝，HEI10蛋白移動到同源染色體(ti) 形成聯會(hui) 複合體(ti) 的位點。這一結構形成後，染色體(ti) 之間才會(hui) 進行交換。HEI10蛋白移動到這個(ge) 位置會(hui) 被固定住，隨後，越來越多的HEI10蛋白會(hui) 在同一個(ge) 地點富集。最終，開始由HEI10蛋白組成的數百個(ge) 小聚集體(ti) ，變成了個(ge) 位數的大聚集體(ti) 。而在這幾個(ge) HEI10蛋白最為(wei) 富集的位點，染色體(ti) 會(hui) 發生交叉、重組的現象。

當增加植物體(ti) 內(nei) HEI10蛋白的表達時，細胞內(nei) 發生染色體(ti) 重組的位點會(hui) 增加，而重組位點之間的距離會(hui) 更近。而將細胞中的HEI10蛋白的數量降低40%時，同源染色體(ti) 隻有一個(ge) 聯會(hui) 複合體(ti) 區域會(hui) 發生基因重組。研究人員認為(wei) ，細胞的聯會(hui) 複合體(ti) 區域是染色體(ti) 進行交換的候選位點，而HEI10蛋白在位點上累積的數量，才會(hui) 決(jue) 定基因重組是否發生。

在多種生物中存在

這種基因重組的模式在很多生物體(ti) 內(nei) （包括酵母菌、線蟲、果蠅和哺乳動物）都是保守的。此前，在一篇發表於(yu) 《自然·遺傳(chuan) 學》的研究中，霍華德·休斯醫學研究所的尼爾·亨特（Neil Hunter）教授等人發現當缺乏HEI10蛋白，小鼠體(ti) 內(nei) 染色體(ti) 重組的前期過程能順利進行，但最終不會(hui) 出現染色體(ti) 重組，也就是說，HEI10蛋白在這一過程的後期具有決(jue) 定性的作用。

這些生命都來自一個(ge) 受精卵，而最初的這個(ge) 細胞中的基因組，也決(jue) 定了後麵組成生物個(ge) 體(ti) 的每一個(ge) 細胞中的基因組組成。無論是基因上堿基突變的修複、表達以及基因重組都需要經過精密的調控，才能使生命得以存在、延續。但是，基因也十分脆弱，很多環境因素不僅(jin) 能影響親(qin) 代的基因、患病情況和壽命，還能通過基因的傳(chuan) 遞，來影響子代。

也就是說，一些不良的生活環境（空氣汙染物、紫外線、重金屬和壓力等）和生活習(xi) 慣（酗酒、吸煙和食用大量垃圾食品），不僅(jin) 在影響我們(men) 人類自身的健康，可能正在改變我們(men) 最底層的基因。隨著未來生物技術的發展，一部分的有害影響或許可以被消除。但現今，我們(men) 每一個(ge) 人得以擁有健康的身體(ti) ，或許還得感謝家族譜係上的親(qin) 人，以及體(ti) 內(nei) 時刻都在認真工作的各種細胞和分子。

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