减数分裂时大约20％的断裂对应于紧密定位的双链断裂对

　　减数分裂是一种特殊的细胞分裂过程，需要产生配子，即生物体的生殖细胞。在减数分裂过程中，父系和母系染色体复制、配对并交换部分DNA，这一过程称为减数分裂重组。为了调节这种遗传物质的交换，细胞将双链断裂（dsb）引入染色体DNA。来自维也纳大学和医学维也纳大学的Max Prutz实验室的染色体生物学系的Franz Klein实验室的科学家们现在发现，细胞有时会在配对的或双倍的DSBs位点释放DNA片段。虽然由于错误的修复或断裂位点其他地方片段的整合，这呈现出种系突变的明显风险，但它也可能是进化多样性的一个来源。这项研究发表在《自然》杂志的一篇研究文章中，人类的遗传信息编码在23对染色体上，其中一对由两个稍有不同的拷贝或同源物组成。一个继承自父亲，一个继承自母亲。然而，人类的配子是单倍体的，一开始只有一半的染色体。当配子在有性生殖过程中融合时，它们创造出一个拥有全套染色体的有机体。在减数分裂早期，亲本染色体的随机分类以及同源染色体间遗传物质的交换，解释了后代的遗传多样性。

　　每个人类配子都包含了从亲本细胞遗传的数十亿种可能的遗传信息组合。有性繁殖的有机体要想获得这种多样性就要冒很大的风险。为了启动减数分裂重组，细胞在染色体上引入数百个危险的DNA双链断裂，其中含有一种叫做Spo11复合物的酶。通过使用同源拷贝作为模板，修复断裂，并在染色体之间交换遗传信息。”研究小组负责人弗兰兹·克莱因解释说：“人们观察到，细胞间的双链断裂彼此相隔很远。”然而，相当令人惊讶的是，我们现在发现大约20%的断裂对应于紧密定位的双链断裂对，它们打孔了染色体的整个片段。这些缺口也可以启动重组，这是以前从未考虑过的。”

　　Spo11识别DNA的物理菌株

　　由分子生物学家Silvia Prieler博士和生物信息学家Doris Chen博士领导的团队以单核苷酸精度绘制了整个酵母基因组中的释放片段，比以往任何时候都要好。这种精确性导致了一些新的观察结果，例如，DNA在切割反应中可能必须弯曲。他们还发现DNA经常处于高拓扑应力下的位点被更有效地切割。在转录过程中，两条DNA链被分离以允许RNA的产生。这会导致转录泡两侧的DNA链被过度缠绕或被低估，并产生相当大的物理张力。这种拓扑菌株是通过与Spo11复合体密切相关的拓扑异构酶来分解的。因此，一个关键的问题是，既然细胞中有专门的核酸酶可以切割DNA，为什么拓扑异构酶亲戚会启动减数分裂重组。”“减数分裂的目标是在尽可能多的位点上提供新的基因组合的机会，甚至结合紧密分布的亲本等位基因，”franzklein说我们的研究提示了为什么Spo11如此适合启动减数分裂重组：它不是识别特定的DNA序列，而不是在预定的位置重组染色体，而是识别应激的DNA，在任何一个经常使用的序列上都可能发生的东西。“高风险——高潜力为什么细胞会冒着打孔染色体碎片的风险仍然不清楚。缺口及其相应的片段增加了突变的风险，这些突变是由缺失或不规则位置插入的片段引起的。科学家们表明，尽管这些双链断裂对分布在基因组中，但它们通常与特别容易受到拓扑应力的启动子区域相对应。启动子是调节转录水平的基因元件。”在进化上，能够在基因组的不同位点之间交换功能调控元件将是一件很好的事情。这就提出了一个有趣的可能性，即双dsb的减数分裂间隙可以刺激基因组中控制元件的进化。对一个细胞来说，这无疑是一项冒险的事业，但对这个物种来说，这项冒险或许是值得的