由于在減數(shù)分裂期間形成卵子和精子或配子，攜帶來自每個(gè)親本的遺傳物質(zhì)的染色體必??須找到它們的伴侶，配對(duì)并交換其DNA的部分。這種重組是遺傳變異和進(jìn)化背后的重要驅(qū)動(dòng)力，但最重要的是，它確保染色體在隨后形成這些配子的分裂過程中正常運(yùn)動(dòng)。當(dāng)重組不順利時(shí)，它可能在人類中引起許多問題，包括流產(chǎn)和先天缺陷。

有史以來第一次，Stowers研究所的研究人員已經(jīng)確定了在單輪減數(shù)分裂后果蠅Drosophila melanogaster的整個(gè)基因組中發(fā)生重組的位置。他們的結(jié)果表明，不同的機(jī)制定位了兩種主要的重組事件，即交叉和非交叉。

這些發(fā)現(xiàn)在遺傳學(xué)雜志上發(fā)表在線報(bào)道，為染色體的理解和遺傳機(jī)制提供了重要的見解。“令人驚訝的是，在蒼蠅發(fā)現(xiàn)基因重組 100多年后，我們才剛剛開始了解這些事件是如何分布的，”Stowers研究員R. Scott Hawley博士說。研究所和該研究的高級(jí)作者。

這種基因重組發(fā)生在稱為減數(shù)分裂的特殊形式的細(xì)胞分裂過程中。在減數(shù)分裂期間，細(xì)胞復(fù)制其所有染色體，將它們配對(duì)，并在配對(duì)或同源染色體的臂之間混洗遺傳物質(zhì)的部分。這種改組可以通過兩種方式之一發(fā)生。在交叉事件中，大量的DNA被交換，就像兩個(gè)人交換撲克牌一樣。在非交叉事件中，較小的DNA片段從一只手臂復(fù)制并粘貼到另一只手臂上，就像一位玩家的手中的心之王突然出現(xiàn)在另一位玩家的黑桃王之上。

一旦甲板被充分洗牌，細(xì)胞就會(huì)分裂，然后再次分裂以產(chǎn)生四個(gè)細(xì)胞，每個(gè)細(xì)胞僅攜帶一個(gè)生物體基因組的拷貝。重組確保每個(gè)配子最終得到每個(gè)染色體的唯一拷貝，但是當(dāng)該過程出錯(cuò)時(shí)，它可能導(dǎo)致染色體異常。例如，21號(hào)染色體上不正確放置的交叉或完全缺乏交叉是人類21三體綜合癥或唐氏綜合癥的主要原因。

除了一個(gè)例外，所有先前在果蠅中重組的遺傳研究都集中在單個(gè)染色體臂或匯集在一起??的蒼蠅組。在這項(xiàng)研究中，Stowers的研究人員想要確定兩種交叉和非交叉如何分布在果蠅的所有五個(gè)主要染色體臂上。交叉相對(duì)容易識(shí)別，因?yàn)樗鼈兩婕罢麄€(gè)染色體臂或部分臂，包含數(shù)千個(gè)堿基對(duì)，即構(gòu)成DNA的A，C，T和G。但非交叉更難以發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗鼈冎簧婕皫装賯€(gè)字母。

因此，堪薩斯大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的醫(yī)學(xué)博士學(xué)生Danny Miller正在Hawley實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行博士研究，他不得不依靠全基因組測(cè)序和新的計(jì)算機(jī)算法來確定兩種事件的位置。該研究的第一作者米勒說，該項(xiàng)目使他有機(jī)會(huì)深入研究人類健康和疾病的基因原理。“我畢業(yè)時(shí)想繼續(xù)做醫(yī)學(xué)科學(xué)家的研究，”米勒說，他計(jì)劃從事兒科腫瘤學(xué)或兒科醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)的專業(yè)。“我希望對(duì)遺傳學(xué)有一個(gè)很好的基礎(chǔ)理解。有些人可能會(huì)忽略這些基本問題，而不是查看數(shù)據(jù)并試圖回答它們。”這種基因重組發(fā)生在稱為減數(shù)分裂的特殊形式的細(xì)胞分裂過程中。在減數(shù)分裂期間，細(xì)胞復(fù)制其所有染色體，將它們配對(duì)，并在配對(duì)或同源染色體的臂之間混洗遺傳物質(zhì)的部分。這種改組可以通過兩種方式之一發(fā)生。在交叉事件中，大量的DNA被交換，就像兩個(gè)人交換撲克牌一樣。在非交叉事件中，較小的DNA片段從一只手臂復(fù)制并粘貼到另一只手臂上，就像一位玩家的手中的心之王突然出現(xiàn)在另一位玩家的黑桃王之上。

一旦甲板被充分洗牌，細(xì)胞就會(huì)分裂，然后再次分裂以產(chǎn)生四個(gè)細(xì)胞，每個(gè)細(xì)胞僅攜帶一個(gè)生物體基因組的拷貝。重組確保每個(gè)配子最終得到每個(gè)染色體的唯一拷貝，但是當(dāng)該過程出錯(cuò)時(shí)，它可能導(dǎo)致染色體異常。例如，21號(hào)染色體上不正確放置的交叉或完全缺乏交叉是人類21三體綜合癥或唐氏綜合癥的主要原因。

除了一個(gè)例外，所有先前在果蠅中重組的遺傳研究都集中在單個(gè)染色體臂或匯集在一起??的蒼蠅組。在這項(xiàng)研究中，Stowers的研究人員想要確定兩種交叉和非交叉如何分布在果蠅的所有五個(gè)主要染色體臂上。交叉相對(duì)容易識(shí)別，因?yàn)樗鼈兩婕罢麄€(gè)染色體臂或部分臂，包含數(shù)千個(gè)堿基對(duì)，即構(gòu)成DNA的A，C，T和G。但非交叉更難以發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗鼈冎簧婕皫装賯€(gè)字母。

因此，堪薩斯大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的醫(yī)學(xué)博士學(xué)生Danny Miller正在Hawley實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行博士研究，他不得不依靠全基因組測(cè)序和新的計(jì)算機(jī)算法來確定兩種事件的位置。該研究的第一作者米勒說，該項(xiàng)目使他有機(jī)會(huì)深入研究人類健康和疾病的基因原理。“我畢業(yè)時(shí)想繼續(xù)做醫(yī)學(xué)科學(xué)家的研究，”米勒說，他計(jì)劃從事兒科腫瘤學(xué)或兒科醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)的專業(yè)。“我希望對(duì)遺傳學(xué)有一個(gè)很好的基礎(chǔ)理解。有些人可能會(huì)忽略這些基本問題，而不是查看數(shù)據(jù)并試圖回答它們。”

僅在這項(xiàng)研究中，米勒就產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)。首先，他交配了兩種遺傳上不同的果蠅品種，據(jù)稱它們的遺傳密碼大約有500,000個(gè)不同的點(diǎn)。然后米勒對(duì)所得到的196個(gè)后代的整個(gè)基因組進(jìn)行了測(cè)序，并編寫了一個(gè)定制的計(jì)算機(jī)程序，可以掃描每個(gè)果蠅基因組的1.6億個(gè)堿基，以獲得重組的證據(jù)。

該方法共識(shí)別出541個(gè)交叉和291個(gè)非交叉。與通常分布在染色體臂的遠(yuǎn)端三分之二上的交叉不同，非交叉在五個(gè)主要染色體臂中均勻分布。在交叉很少發(fā)生的地方形成非交叉，例如靠近將染色體的臂連接在一起的多重著絲點(diǎn)。它們緊密地組合在一起，與交叉時(shí)相反，當(dāng)它們?cè)噲D在其他交叉點(diǎn)附近形成時(shí)會(huì)對(duì)干擾現(xiàn)象作出反應(yīng)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，交叉的數(shù)量變化很大，不僅取決于它們沿著染色體臂的位置，還有染色體到染色體的位置。例如，他們?cè)?號(hào)染色體的一條臂上發(fā)現(xiàn)了5個(gè)雙重交叉 - 比預(yù)期的少。

“這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了在現(xiàn)場(chǎng)流傳的某種傳說 - 每個(gè)染色體臂表現(xiàn)得有點(diǎn)不同的想法 - 但是沒有人真正知道，因?yàn)闆]有人看過同樣的每一個(gè)手臂實(shí)驗(yàn)，“霍利說。“我們發(fā)現(xiàn)每條染色體都有自己的規(guī)則，可以確保它的交叉點(diǎn)正好在它想要的地方。”

除了交叉和非交叉，研究人員還注意到由轉(zhuǎn)座子的存在引起的重復(fù)和缺失的證據(jù)，轉(zhuǎn)座子是一類特殊的遺傳元件，可以從基因組的一個(gè)區(qū)域跳到另一個(gè)區(qū)域。這些轉(zhuǎn)座因子對(duì)于減數(shù)分裂機(jī)械來說是一個(gè)嚴(yán)重的問題，因?yàn)樗鼈兛赡軙?huì)扭曲同源染色體的配對(duì)，引發(fā)影響生物體活力的遺傳物質(zhì)的重復(fù)或缺失。該研究確定了1-2%基因組中的轉(zhuǎn)座因子，與之前的報(bào)道一致。