同源染色体“交叉互换”的实现机制摭谈

蒋斐雯

【摘 要】本文按照时间顺序，以遗传学发展中对“交叉互换”内容的研究和探索历程为主线，结合从细胞水平到染色体水平再到 DNA 分子水平的不同层面的几个模型，谈同源染色体“交叉互换”的实现机制，以期对该部分内容进行广泛认识和透彻理解，提高教学拓展的科学性、准确性、逻辑性和有效性。

【关键词】交叉互换 断裂重接 链侵入 交联桥 分支迁移 Holliday中间体

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2018）01B-0026-04

人教版教材《生物·必修2·遗传与进化》有关“交叉互换”的知识共出现了 2 次。在第 2 章第 1 节“减数分裂和受精作用”（P18）提到，四分体中的非姐妹染色单体之间经常发生缠绕，并交换一部分片段（染色體交叉互换，图 1）。在第 5 章第 1 节“基因突变和基因重组”（P83）提到，另一种类型的基因重组发生在减数分裂形成四分体时期，位于同源染色体上的等位基因有时会随着非姐妹染色单体的交换而发生互换，导致染色单体上的基因重组。

在目前实际的教学过程中，对于基因重组类型之一的“交叉互换”内容的理解，存在两种观点，“先交叉后互换，交叉导致互换”（人教版）与“先互换后交叉，交叉是互换的结果”（苏教版与浙教版）。究其原因，主要还是在于对“交叉互换”的理解角度和深度不同。赵沛荣、周庆两位老师在《中学生物教学》2016 年第 3 期发表的《深度探讨“基因重组”概念教学的疑难问题》一文中，通过比较分析人教版、苏教版、浙科版 3 个版本教材的相关文本描述内容，并结合减数第一次分裂前期 5 个亚时期中的偶线期（同源染色体开始联会）、粗线期（同源染色体非姐妹染色单体间互换片段）、双线期（非姐妹染色单体间可见有形的交叉结）染色体形态和行为上历经的变化，以细胞学水平层面的证据认同上述后者观点。余骥老师在《中学生物教学》2017 年第 1～2 期发表的《浅析同源染色体“交叉”和“互换”的关系》一文中，通过剖析联会复合体（SC）参与的同源染色体的联会和互换，并结合一系列酶促反应介导的“交叉互换”过程的“Meselson-Radding 模型”的分析，辨析了同源染色体“交叉”和“互换”的关系：粗线期分子水平的“交叉”引起同源染色体的遗传学“互换”（人教版侧重强调），“互换”未完成导致产生双线期细胞水平的“交叉”现象（苏教版与浙教版侧重关注）。余老师从分子水平和细胞水平层面对“交叉”和“互换”关系的深度整合探析，充分说明了上述两种看似截然相反的观点其实并不矛盾，只是侧重的方面不同而已。

为了更全面深入地理解“交叉互换”以及“交叉”和“互换”的关系，有必要厘清同源染色体的“交叉互换”究竟是如何实现的？笔者通过查阅相关文献资料，按照时间及由现象到本质的逻辑顺序，循序渐进，介绍“交叉互换”的理论模型，解读“交叉互换”的实现机制，建构“交叉互换”研究内容的整体性、连贯化体系。

一、经典遗传学“交叉互换”的理论模型

（一）交叉型模型

交叉型模型也叫交叉型假说，是比利时细胞学家 Janssens 以两栖类蝾螈和直翅目昆虫为研究材料，根据减数分裂观察，于 1909 年在摩尔根等人确立遗传的染色体学说之前提出的，这是有关染色体交叉互换的最早理论。

1.要点

该假说认为，在减数分裂前期 Ⅰ，尤其是双线期，联会配对的同源染色体不是简单地平行靠拢，而是在非姐妹染色单体间某些点显示出交叉缠结的图像，即发生交叉，每一个交叉可形成有形的交叉结，这是同源染色体间对应片段发生过断裂、重接和互换的地方。该学说的核心是，交叉是互换的结果，而不是互换的原因。也就是说，遗传学上的互换发生在细胞学上观察到的交叉现象出现之前。一个交叉代表一次互换，根据图 2 所示（下页），可判断互换曾发生在非姐妹染色单体 2 和 3 及 2 和 4 之间。一般情况下，染色体愈长，显微镜下观察到的交叉数愈多，说明互换的次数愈多，如教材中呈现的上述图 1 染色体交叉互换的照片，显示发生过多次交换。

2.意义与局限性

Janssens 的模型从细胞学水平层面推断了互换与交叉的先后关系，描述了同源染色体的非姐妹染色单体通过断裂重接进而实现交叉互换，其假说内容在后续的研究中逐步得到了证实，为以后的交叉互换模型建构奠定了理论基础和提供了原型。但遭到细胞学家的反对，因为当时从显微图像上找不到任何有关断裂和重接的细胞学证据，而且该模型未能进一步说明同源染色体的非姐妹染色单体片段为何断裂重接进而实现交叉互换的原因。

（二）断裂愈合（重接）模型

这个模型是基于 Janssens 的交叉型模型，由英国细胞学家 Darlington 在 1937 年提出来的，受到较为广泛的关注。

1.要点

减数第一次分裂前期，同源染色体间由于引力而相互吸引，进行联会。在联会时，两同源染色体互相缠绕，形成相关螺旋，此时染色体间扭力和染色体内扭力保持平衡。但两对姐妹染色单体间由于斥力又互相排斥，斥力代替引力，使平衡受到破坏，为了恢复平衡，两个非姐妹染色单体在同一位点上同时断裂。染色单体断裂后，断裂端围绕各自染色体上未断裂的染色单体旋转，螺旋部分松开，在此过程中，两个非姐妹染色单体的相应断裂端交错重接，重新愈合，互换片段，形成交叉，产生重组的染色单体（图 3）。

2.意义与局限性

Darlington 的模型从染色体水平层面阐释了同源染色体的非姐妹染色单体断裂重接的原因，揭示了同源染色体交叉互换的机理。1961 年 Meselson 与 Weigle 用放射性同位素标记两个 λ 噬菌体同时感染大肠杆菌的实验和 1978 年 Tease 与 Jones 运用姐妹染色单体差别化染色法（SCD）直接检测交叉互换的实验，为断裂愈合模型提供了确凿可靠的实验证据。该模型清楚体现了互换与交叉的先后关系，能解释大量正常对等交叉互换（如上述图 1 的染色体交叉互换示意图）的原因，是一个很好的模型，不少学者认为上述的断裂重接过程在交叉互换或遗传重组中起着中心作用。根据断裂重接模型，发生一次对等交叉互换后所形成的 4 个染色单体中，必然有两个是亲代类型，两个是重组类型。但在当时，对少数异常的不对等交叉互换缺乏认识，无法解释；同时由于受到当时遗传学发展的限制，该模型无法从更深入的分子水平层面解释如何断裂重接实现交叉互换的生化过程的细节。直至 1953 年沃森和克里克揭示了 DNA 分子的双螺旋结构，才使得遗传学的研究进入了分子遗传学阶段，不少学者开始探索研究“交叉互换”的分子机制。

二、分子遗传学“交叉互换”的理论模型

（一）Holliday 模型

英国生物学家 Holliday 于 1964 年提出的杂合 DNA 模型，现又称为 Holliday 模型或双链侵入模型，受到多数学者的支持，以后又经一些学者和 Holliday 本人的修改。这个模型能很好说明交叉互换的分子机制，适用于原核生物和真核生物。根据这个模型，交叉互换过程分为几个阶段，如图 4（下页）所示：

（1）同源染色体联会时，非姐妹染色单体的 DNA 分子配合在一起；（2）核酸内切酶（DNA 内切酶）识别 DNA 分子上相应位点，在相同位置上同时切开非姐妹染色单体 DNA 中两个方向相同的单链（3′→ 5′或 5′→ 3′）的磷酸二酯键；（3）两断链从断裂点脱开，螺旋局部放松，单链交叉准备重接；（4）在 DNA 连接酶的作用下，断链交换连接，DNA 双链侵入，形成交联桥结构；（5）交联桥位置可以靠拉链式活动沿着配对 DNA 分子移动，分支进行迁移。其中互补碱基间形成的氢键从一条亲本链改为另一条亲本链，使迁移后两个亲本 DNA 分子都出现异源双链 DNA 区域；（6）交联桥结构环绕另外两条 DNA 单链旋转成十字形构型，又称为 Holliday 结构；（7）（6）形成的构型绕交联桥旋转 180°，形成 Holliday 结构的异构体（中间体）；（8）Holliday 中间体通过两种方式进行拆分，通过核酸内切酶在交联部分切断 DNA 单链，消除交联体，恢复为两个线性 DNA 分子；（9）（10）左右切断形成的线性 DNA 分子保持亲代类型，上下切断形成的线性 DNA 分子产生重组类型，DNA 连接酶催化单链缺口的磷酸二酯键形成。无论哪种拆分形成的线性 DNA 分子上的异源区段都存在不配对的核苷酸碱基序列，在 DNA 分子中造成歪斜，首先由核酸外切酶切除，留下单链缺口；然后在 DNA 聚合酶的作用下，以一条链为模板合成具有互补碱基的区段，填补缺口；再由 DNA 连接酶把新合成的短链以磷酸二酯键连接上去，形成连续完整的核苷酸链，完成修复即实现 DNA 分子的片段互换。总之，互换是一系列酶促反应的有序过程。

按照 Holliday 模型的描述，两个同源 DNA 分子需在相同位置同时切开一条单链，形成两个单链切口，进而在切口处发生交叉互换，产生对称的杂合双链。而实际上，细胞中 DNA 分子经常发生单链断裂，很少两个同源 DNA 分子同时断裂，同时也存在不对等（称）交叉互换等异常现象，Holliday 模型存在不完善的地方。

（二）Meselson-Radding 模型

1975 年，Meselson 和 Radding 对上述 Holliday 模型进行修改的基础上提出了 Meselson-Radding 模型，也称为单链侵入模型，较好地解释了不对等（称）交叉互换现象，是目前被广泛接受的模型。该模型分为几个主要步骤，如图5所示：

（a）同源联会的两个双链 DNA 分子，仅有一个 DNA 一条链由 DNA 内切酶作用产生一个单链切口；（b）切口处的 5′端局部解链，DNA 聚合酶从切口处的 3′端开始合成新链，填补解链后的单链缺口，将原有链逐步置换出来；（c）随后，被置换出来的 DNA 单链区段 5′端侵入到另一个完整 DNA 分子的双螺旋中，取代其同源单链并与其互补链配对，被取代的单链区段形成 D 环（单链泡）；（d）D 环（单链泡）单链区随后被核酸酶切除降解掉；（e）在 DNA 连接酶作用下，产生的游离 3′端与入侵单链的 5′端连接，游离 5′端与断裂 DNA 分子新合成单链（延伸单链，虚线部分）区段 3′端连接，单链交叉形成交联桥，此时只有一个 DNA 分子（下面 DNA）含有异源双链区段，上面 DNA 没有；（f）在核酸内切酶作用下，交联桥断裂，再由 DNA 连接酶连接断裂单链形成不对称互换片段的 DNA 分子，或者 DNA 扭曲螺旋后异构化形成 Holliday 中间体；（g）通过分支迁移即可在两个 DNA 分子上形成异源双链区段，随后的过程与 Holliday 模型一样。异源双链区段的错配碱基也需要依靠酶的作用修复。

（三）Szostak 模型

交叉互换是一个复杂的分子变化过程，也有许多实验证据表明，交叉互换可由同一个 DNA 分子的双链断裂启动。1983 年 Szostak 基于酵母菌减数分裂的交叉互换启动需要双链切口的事实，提出了双链断裂重组模型（DSBR 模型），现又称为 Szostak 模型。该模型描述的交叉互换过程是这样的（如图 6 所示）：

A.首先由核酸内切酶水解两个同源 DNA 分子中的一个 DNA 双链的磷酸二酯键，导致该 DNA 分子双链断裂，另一个 DNA 双链保持完整；B.由核酸外切酶作用，扩大断裂 DNA 分子的双链切口而产生具有 3′单链末端缺口的空隙；C.断裂链的游离 3′端侵入另一个完整同源 DNA 分子的双链，取代其同源单链并与其互补链配对，被取代的单链产生 D 环；D.在 DNA 聚合酶的作用下，入侵的单链与另一条断裂的单链分别以完整链为模板，按照 5′端向 3′端方向开始 DNA 单链合成延伸（图中虚线箭头所示）；E.由 DNA 连接酶将两条合成单链上的缺口连接形成完整单链，同时入侵单链与被置换单链 D 环交叉，形成两个交联桥；F.在酶的作用下，交联桥向两侧迁移（分支迁移），进行错誤配对碱基的修复；G 和 H 两 DNA 分子通过如图的两种方式断裂，并在 DNA 连接酶的作用下，进行重接，进而实现互换。

关于“交叉互换”的分子机制除了上述模型以外，目前还存在由 Nasmyth 于 1982 年提出，Nassif 等于 1994 年命名的 SDSA 模型（合成依赖退火模型），该模型仍缺乏足够可靠的实验证据；F.L.Lin 等于 1984 年提出的 SSA 模型（单链退火模型），这为全面深入理解交叉互换提供了全新思路和崭新模式。总之，随着分子生物学和遗传学的不断发展，人们对交叉互换的基因重组的分子机制的研究必将有更多发展，精准、全面、完善的互换机理定会逐步揭示出来。

【参考文献】

[1]朱正威，赵占良.普通高中课程标准实验教科书：生物必修2 遗传与进化[M].北京：人民教育出版社，2007

[2]赵沛荣，周 庆.深度探讨“基因重组”概念教学的疑难问题[J].中学生物教学，2016（3）

[3]余 骥.浅析同源染色体“交叉”和“互换”的关系[J].中学生物教学，2017（1～2）

[4]王亚馥，戴灼华.遗传学[M].北京：高等教育出版社，2004

[5]刘祖洞，乔守怡，吴燕华，赵寿元.遗传学[M].北京：高等教育出版社，2013

[6]宣雯雯，张玉明.浅谈染色体的交叉互换[J].生物学教学，2016，41（11）

[7]贺竹梅.现代遗传学教程[M].广州：中山大学出版社，2017

（责编 卢建龙）