RAD51基因在不育中的作用

生物通报道：一篇发表在2004年7月20日的Proceedings of the National Academy of Sciences上的文章中，研究人员介绍了有关一种对所有动物、植物和真菌都很重要的基因的新发现，其中的一个发现是这种叫做RAD51的基因在植物有性繁殖阶段的染色体重组过程中起重要作用。对人类而言，这个过程中的错误将导致胎儿的染色体数目异常，从而导致不育症、流产或先天缺陷。有关这个基因在植物中的作用的新发现表明，这个基因也可能在人类和其它哺乳动物的精子和卵细胞的产生过程中扮演重要角色。

这项研究最让人惊讶的结果之一就是RAD51基因对植物的生存并不重要，这一点与哺乳动物情况不同。“已知继承了RAD51基因两个缺陷性拷贝的小鼠胎儿在受孕后不久就会死去，但我们惊讶地发现携带两个缺陷性拷贝的突变植物除了不育之外，其它方面都发育的很正常，”Penn State大学的生物学教授、这个研究组的领导者Hong Ma说。

研究组的工作揭示出RAD51基因的蛋白产物的特殊功能——在有机体的生殖细胞进行减数分裂过程中进行染色体配对，以及修复染色体。“据研究结果，我们推测植物细胞修复DNA断裂的方式与哺乳动物细胞不同。如果RAD51基因功能发生障碍，哺乳动物就会停止生长，”Ma说。

减数分裂产生有性繁殖细胞，如精子和卵细胞，它们仅含每个生物特定数目染色体的一个拷贝。成熟的精子和卵细胞结合时，新的个体将含有完整的DNA——一半来自母亲，一半来自父亲。研究组的工作主要集中在两个相似染色体之间的遗传物种的重组，这一现象发生在减数分裂过程中当细胞核中的双链染色体被分开并被一组蛋白合并两次（致使产生四个新的雄性或雌性繁殖细胞）的时候。

研究人员利用模式植物拟南芥的突变株进行研究，这种突变株中RAD51基因因一段外源DNA的插入而失活。Ma领导的研究组将直径只有0.3－0.4毫米的植物小花蕾剖开来研究。“观察开花之前的小花蕾的细胞非常重要，因为减数分裂发生在花粉发育之前，”Ma解释说。“然后，我们用能防止结构破坏的化学物质处理细胞并将细胞用一种化合物染色，使细胞中的DNA清楚地显现出来。”

突变植物中减数分裂的显微图像表明染色体已经不再完整清晰，而是变成了染色体碎片的混杂。“我们发现RAD51基因功能缺失的植物不能将减数分裂过程中断裂的染色体片断重组起来，”Ma说。研究人员又通过将SOP-11基因的一种突变——这个突变使得切割染色体的蛋白系统功能缺失——引入植物证实了这一发现。“我们发现缺失SPO-11和RAD51的植物的染色体能保持完整，而不是混杂的染色体片断，”Ma说。“因为染色体首先没有被切割，因此不需要RAD51来修复。”这些实验说明RAD51在重组过程中对DNA修复起到重要的作用。他们还确定了这个已知在动物和真菌中存在的修复断裂染色体的系统也存在植物中。

RAD51基因能够编码一种重组酶，它能催化同源染色体间DNA片断的交换。理论上，个体从父本继承一个染色体的单个拷贝并从母本那里继承另一个相似但不完全等同的拷贝。DNA的交换（即重组过程）对在同一个家族和整个人类中产生多样化的个体是非常重要的。

来自父母双方的同源染色体配对，每条染色体上DNA排列非常相似，染色体间能形成联会复合体（synaptonemal complex），非姊妹染色体在这个时期发生重组交换。Ma的研究第一次提供了明确的证据，证明RAD51基因除了在减数分裂重组中的作用外，它在同源染色体配对和联会中也是必须的。“在突变体中，我们发现染色体不能成对，”他说。“我们的研究表明RAD51蛋白在引领一条染色体与同源体配对而形成双体过程中起到一定的作用，并且它还是联会过程所需的蛋白复合体的一个重要组分。”

研究组还提供了精细的电子显微镜图像，这些图像比以往更清晰地显现出植物细胞的分裂过程。“我们很庆幸研究组中有一位非常擅长制备电镜观察所需细胞的专家，”Ma说。这些图像展示出一段段剖开的染色体，能让我们看到它们的结构和在细胞中的位置。在细胞中还能清楚地看到联会复合体。在正常植物细胞完整染色体减数分裂过程中会出现这种联会复合体，Ma发现在突变植物的生殖细胞中没有形成这种复合体。“我们只能看到许多染色体，它们不能与另一条配对，因为RAD51的突变无法使它们聚集在一起，”Ma说。电镜图像清楚地表明RAD51基因对植物形成能将染色体配对是必须的。

已知RAD51基因在生物细胞因辐射和化学物质造成的DNA损伤的修复中也起到一定的作用。细胞利用未受损的DNA片断作为模板来修复受损的同源染色体。研究确定了这个利用RAD51蛋白修复断裂染色体的体系在植物中也存在，而先前只知道存在于动物和真菌中。

“我们的研究表明人类繁殖中的一些缺陷可能与RAD51功能的部分缺失有关，”Ma说。“尽管现在还不可能研究那些有生育问题的人的RAD51基因的缺陷，但我们现在能通过这个突变植株来了解更多有关它在有性繁殖中的功能。”

除了Ma和Reiss外，这个研究组的成员还有Penn State大学的Wuxing Li和Changbin Chen、Max-Planck Institute的Ullrich Markmann-Mulisch和Elmon Schmelzer以及Ljudmilla Timefejuva。研究得到了美国国家卫生中心、美国国家科学基金、美国能源部和欧洲委员会的资助。（Yang Shujuan）