基因转换的生物学意义及分子机制

作者：杨超月

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基因转换的生物学意义及分子机制

BIOX.CN 来源：Biox.cn 2008年11月25日

基因转换(gene conversion)是指遗传信息从一个分子向其同源分子单向传递的过程，使受体序列部分或者全部被供体序列所替代，而供体本身的序列不变。这种现象不仅在真菌中普遍存在，在线虫和哺乳动物中也存在。迄今已知该现象在原核生物和真核生物中均普遍存在。深入的研究表明基因转换在基因的致同进化(concerted evolution)、降低突变率等方面均有重要作用。本文则主要对在其他不同生物类群上的研究情况以及基因转换的分子机制等方面取得的新进展做一概述。

1. 不同生物类群中基因转换及其生物学意义
从细菌到植物乃至高等的哺乳动物，大多数非编码重复基因(研究最多的是多拷贝rRNA 基因)和多基因家族都是通过该机制保持其多拷贝基因序列的一致性，它是致同进化现象的背后机制。

1.1 原核生物中的基因转换现象在多种原核生物上，研究表明基因转换导致了它们的多拷贝rRNA 操纵子的基因致同进化现象。如：在大肠杆菌中有七个rRNA 操纵子，rrnA、B、C、D、E、G 和H，每个操纵子上rRNA 基因的排列顺序为16S-23S-5S，编码rRNA 的基因rrn 往往是多拷贝的。Ammons 等在研究敲除5S rRNA 基因对细胞的影响时，发现rrnB 操纵子上敲除了其中一个5S rRNA 基因后它可以通过基因转换的方式从别的操纵子上重新获得。在副溶血弧菌的一个菌株的基因组中有11 个拷贝的rRNA 操纵子，其中10 个位于1 号染色体上，另一个位于2 号染色体上，其16S rRNA 基因序列是完全相同的；而在另一菌株中则含有两类操纵子，其中7 个为一类型，另外4 个为另一类型，它们的差异是在编码16S rRNA可变的主干环的25 bp中有10 bp的差异，Gonzalez-Escalona等认为这种操纵子的差异是基因转换的结果。

在分析比较肠球菌属16S RNA 序列时，发现在三个亲缘关系很近的种属菌株基因中的相同位置都含有一段相同的可变区域，这种情况被认为是因为在不同种属16S RNA 操纵子之间发生了基因转换而实现了遗传信息的传递的结果。从以上可知，基因转换可以发生在同一菌株内的多拷贝基因之间，也可以发生在不同菌株的同一基因之间。其作用是使这些多拷贝的基因序列保持一致。

基因转换的生物学意义及分子机制

1.2 植物中的基因转换现象植物中也发现了基因转换的现象，但不只集中在rRNA 基因上，它是反转录转座子的序列以及质体中的基因组序列保持高度一致的机制。

黄花烟草(Nicotiana rustica)是一种异源四倍体，是由圆锥烟草和波叶烟草天然杂种的染色体数加倍形成的。研究发现黄花烟草中的r D N A 和I G S 区(intergenic spacer region)都是波叶烟草型的，因而认为这是定向基因转换而导致的。

反转录转座子以高拷贝在植物界广泛分布，这类移动元件怎样保持各拷贝间序列高度相似性一直不得而知。最近提出这就是基因转换所实现的。如Kejnovsky 等在蝇子草中发现了一种新的反转录转座子Retand，它活跃转录且大量存在，经分析蝇子草的X、Y和常染色体，分离到Retand的LTR(long terminalrepeat)，并发现X、Y染色体的LTRs比常染色体的有更低的核酸位点多态性，尤其是Y 染色体的LTRs 之间的一致性非常高，这被认为是基因转换所致。

基因转换的生物学意义及分子机制

在高等植物中存在的一些无性繁殖系统，如质体和线粒体，它们一般是多倍体的。有证据表明它们基因的突变率远远低于细胞核。Khakhlova 等在转基因烟草的质体的基因上人工引进突变而后跟踪观察，发现经过三代后引进的突变被原来的野生型完全替代。因此认为在烟草的质体中发生了基因转换，并进而认为这正是降低多倍体无性繁殖系统的突变率的机制。

1.3 动物中的基因转换现象在蚂蝗、鲟鱼、果蝇、蜥蜴和人类等动物的核基因组中都发现有基因转换现象。以蜥蜴为例，它是一种孤雌生殖的异源三倍体，进行营养繁殖，其r D N A 的重复序列通过基因转换已高度纯合。这些三倍体蜥蜴有几千年历史，只进行无性繁殖，很少或无遗传重组，且rDNA 的基因座位没减少，但其中一个亲本的r D N A 类型已消失，说明基因转换可以在一个很短的进化时间内完成。近年来在人类基因组中发现的基因转换的例子日渐增多。最早报道的是在globin 基因中，后来发现座位间的基因转换(inter-locus gene conversion)事件也普遍存在于人的许多基因家族中。如Rh 血型抗原基因RHD和RHCE，a-interferon基因，g-crystallin基因以及chemokine 受体基因CCR2 和CCR5 和Alu 元件等。另外, 有人在分析人类Y 染色体大量回文结构时认为在新生男婴中可能发生了Y-Y 基因转换事件使得回文结构序列保持高度一致。