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基因重排

基因重排是指将一个基因从远离启动子的地方移到距启动子很近的地方从而启动转录的方式。

基因重排分基因内重排和基因间重排。

基因结构重排的机制是一种DNA双链断裂(double-stand break)的修复过程,在等位基因内或等位基因之间,出现了重复单位复杂的转换式移动( conversional transfer)。

DNA双链断裂常发生在靠近串联重复序列的5’端的重复单位内,形成DNA分子的两个游离的、突出的单链末端。但是在修复的过程中,两末端因摆动或错位,没有按照原配对碱基的位置复性,出现了两种后果:

一个结果是错位链最末端的碱基率先复性,然后局部合成空缺的碱基,经过修复形成一个或几个插入重复单位。因为是发生在同- DNA分子内的单链插入,故这种基因的转移是一种基因内转换形式。基因内转换重排可以反复出现,每出现一次就增加一段插入序列,所以这种错位复性及修复方式在小卫星座位一般都是增加了重复单位数,如图表示重复单位由原来的7个重复单位突变增加到9个重复单位。

另一种修复的结果更多见,DNA断端的游离单链末端侵入(strand invasion)到对应的染色单体上的等位基因,与另一条染色单体的DNA发生复性,结果形成了两同源染色单体的基因之间转换式移动。这类单链侵入形式导致异源链合成、延伸,会出现三种不同的后果:
  
  (1)从重复序列开始的错配新合成链,多数在达到重复序列的侧翼序列之前就被DNA错配修复系统(mismatch repair system)终止,只能形成基因插入转换。图所示侵入链被错配修复体系终止,又回到原单链继续复制过程。此时,该单链上已经插入了来自对应的另一姐妹染色单体的3个重复单位,由原来7个重复单位突变为10个重复单位。这种被修复系统监测并终止的DNA杂合双链可能再次分离,开始新一轮的链侵入、合成和单链复性,引起杂合链的再次延长。最后单链缺口被填充,杂合双链区被修复。这种修复后的重排方式最多见。
  (2)第二种是以对应同源染色单体的等位基因为模板合成的错配链一直延伸到小卫星重复序列的侧翼区,并连同侧翼序列中可能存在的SNP基因座的碱基变异一起发生了基因间转换,这种重排同时涉及小卫星重复单位和侧翼序列SNP基因座,因此称为基因共转换(coconversion)。共转换的方式相对较少。图2示侵入链以对应同源染色单体为模板延伸至侧翼区的SNP座位,获得SNP座位的C碱基。被修复系统终止后,再回到原来的单链按原来序列继续复制,此时新链的侧翼SNP座位已经是C/G而不是原来的A/T。
  (3)第三种结果更少见,即延伸的杂合双链没有终止,越过串联重复区段,最后形成典型的Holliday连接结构,然后出现基因间重组交换(crossover)的过程,经过不同的拆分方式形成同源染色单体之间的互换产物,如图所示。
  
  对CEBl (D2S90)小卫星的研究发现,在配子细胞中,基因转换和重排引起的突变率要比传统概念的配子不等交换突变高70倍,因此认为基因重排是小卫星的多态性形成的主要原因。男性配子基因转换突变率远高于女性配子,试验数据显示男性配子突变率13%,女性仅o.4%。对小卫星和侧翼SNP标记的基因共转换观察,也发现转换事件与侧翼SNP的某种单倍型有明显的关联,推测小卫星序列的基因转换重排可能受到侧翼DNA序列的调节。

基因组重排技术结合了传统诱变技术和细胞融合技术,是一项对整个微生物基因组重排的新型育种技术。基因组重排技术通过多亲本原生质体递归融合,可以使工程菌快速获得多样复杂优良表型,并且无须了解其基因组学、代谢组学等具体背景。介绍了基因组重排技术的过程及应用,展现了基因组重排技术的优点,并给出了基因组重排技术的发展在未来的应用情景。

另外,在B淋巴细胞发育过程中,也有关于基因重排的机制。


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