減數分裂時大約20％的斷裂對應于緊密定位的雙鏈斷裂對

　　減數分裂是一種特殊的細胞分裂過程，需要產生配子，即生物體的生殖細胞。在減數分裂過程中，父系和母系染色體復制、配對并交換部分DNA，這一過程稱為減數分裂重組。為了調節這種遺傳物質的交換，細胞將雙鏈斷裂（dsb）引入染色體DNA。來自維也納大學和醫學維也納大學的Max Prutz實驗室的染色體生物學系的Franz Klein實驗室的科學家們現在發現，細胞有時會在配對的或雙倍的DSBs位點釋放DNA片段。雖然由于錯誤的修復或斷裂位點其他地方片段的整合，這呈現出種系突變的明顯風險，但它也可能是進化多樣性的一個來源。這項研究發表在《自然》雜志的一篇研究文章中，人類的遺傳信息編碼在23對染色體上，其中一對由兩個稍有不同的拷貝或同源物組成。一個繼承自父親，一個繼承自母親。然而，人類的配子是單倍體的，一開始只有一半的染色體。當配子在有性生殖過程中融合時，它們創造出一個擁有全套染色體的有機體。在減數分裂早期，親本染色體的隨機分類以及同源染色體間遺傳物質的交換，解釋了后代的遺傳多樣性。

　　每個人類配子都包含了從親本細胞遺傳的數十億種可能的遺傳信息組合。有性繁殖的有機體要想獲得這種多樣性就要冒很大的風險。為了啟動減數分裂重組，細胞在染色體上引入數百個危險的DNA雙鏈斷裂，其中含有一種叫做Spo11復合物的酶。通過使用同源拷貝作為模板，修復斷裂，并在染色體之間交換遺傳信息。”研究小組負責人弗蘭茲·克萊因解釋說：“人們觀察到，細胞間的雙鏈斷裂彼此相隔很遠。”然而，相當令人驚訝的是，我們現在發現大約20%的斷裂對應于緊密定位的雙鏈斷裂對，它們打孔了染色體的整個片段。這些缺口也可以啟動重組，這是以前從未考慮過的。”

　　Spo11識別DNA的物理菌株

　　由分子生物學家Silvia Prieler博士和生物信息學家Doris Chen博士領導的團隊以單核苷酸精度繪制了整個酵母基因組中的釋放片段，比以往任何時候都要好。這種精確性導致了一些新的觀察結果，例如，DNA在切割反應中可能必須彎曲。他們還發現DNA經常處于高拓撲應力下的位點被更有效地切割。在轉錄過程中，兩條DNA鏈被分離以允許RNA的產生。這會導致轉錄泡兩側的DNA鏈被過度纏繞或被低估，并產生相當大的物理張力。這種拓撲菌株是通過與Spo11復合體密切相關的拓撲異構酶來分解的。因此，一個關鍵的問題是，既然細胞中有專門的核酸酶可以切割DNA，為什么拓撲異構酶親戚會啟動減數分裂重組。”“減數分裂的目標是在盡可能多的位點上提供新的基因組合的機會，甚至結合緊密分布的親本等位基因，”franzklein說我們的研究提示了為什么Spo11如此適合啟動減數分裂重組：它不是識別特定的DNA序列，而不是在預定的位置重組染色體，而是識別應激的DNA，在任何一個經常使用的序列上都可能發生的東西。“高風險——高潛力為什么細胞會冒著打孔染色體碎片的風險仍然不清楚。缺口及其相應的片段增加了突變的風險，這些突變是由缺失或不規則位置插入的片段引起的。科學家們表明，盡管這些雙鏈斷裂對分布在基因組中，但它們通常與特別容易受到拓撲應力的啟動子區域相對應。啟動子是調節轉錄水平的基因元件。”在進化上，能夠在基因組的不同位點之間交換功能調控元件將是一件很好的事情。這就提出了一個有趣的可能性，即雙dsb的減數分裂間隙可以刺激基因組中控制元件的進化。對一個細胞來說，這無疑是一項冒險的事業，但對這個物種來說，這項冒險或許是值得的