基因重組

基因是一個包含必要的信息，在可控制的方式生產功能的RNA產物的核酸段。它們包含這個產品是在什麼條件下發號施令的監管區域，轉錄區域發號施令RNA的產品序列，和/或其他功能序列。身體發育和生物體的表型可以想到作為一個相互交融的基因與環境的產品，可以繼承的單位和基因。主要發生在減數第一次分裂前期的交叉互換和後期的非同源染色體自由組合。 ^[1] 

二階體中的兩條染色單體在相應的位點發生斷裂，斷裂的兩端成“十”字形重接，產生新的染色單體。每一條新染色單體之間的接點的一端包含來自一條染色單體的物質，另一端包含另一條染色單體的物質。

發生重組的必須條件是兩條DNA鏈的互補性。每條染色單體包含一條長的雙鏈DNA，發生重組的斷裂位點依賴於位點附近鹼基的互補配對。當雙鏈中的一條鏈與另一條雙鏈的一條鏈發生交叉時，將形成一條雜合DNA。每個重組包括左側親本雙鏈體DNA通過一段雜合DNA與右側的另一條親本雙鏈體相連。

雜合DNA的形成同時也要求兩條重組雙鏈體的序列相鄰，並能在兩條互補鏈之前配對。如果兩條親本雙鏈DNA在重組區域沒有差別，將形成完全互補配對的雜合DNA。若在該區域內，兩條親本雙鏈DNA存在小差異，這種反應也能發生但雜合DNA存在錯配點。錯配點將在後續進行錯配糾正。

從廣義上講，任何造成基因型變化的基因交流過程，都叫做基因重組。而狹義的基因重組僅指涉及DNA分子內斷裂—複合的基因交流。真核生物在減數分裂時，通過非同源染色體的自由組合形成各種不同的配子，雌雄配子結合產生基因型各不相同的後代，這種重組過程雖然也導致基因型的變化，但是由於它不涉及DNA分子內的斷裂c複合，因此，不包括在狹義的基因重組的範圍之內。

根據重組的機制和對蛋白質因子的要求不同，可以將狹義的基因重組分為三種類型，即同源重組、位點特異性重組和異常重組。同源重組的發生依賴於大範圍的DNA同源序列的聯會，在重組過程中，兩條染色體或DNA分子相互交換對等的部分。真核生物的非姊妹染色單體的交換、細菌以及某些低等真核生物的轉化、細菌的轉導接合、噬菌體的重組等都屬於這種類型。大腸桿菌的同源重組需要RecA蛋白，類似的蛋白質也存在於其他細菌中。位點特異性重組發生在兩個DNA分子的特異位點上。它的發生依賴於小範圍的DNA同源序列的聯會，重組也只限於這個小範圍。兩個DNA分子並不交換對等的部分，有時是一個DNA分子整合到另一個DNA分子中。這種重組不需要RecA蛋白的參與。異常重組發生在順序不相同的DNA分子間，在形成重組分子時往往依賴於DNA的複製而完成重組過程。例如，在轉座過程中，轉座因子從染色體的一個區段轉移到另一個區段，或從一條染色體轉移到另一條染色體。這種類型的重組也不需要RecA蛋白的參與。

現代基因工程技術是在試管內按人為的設計實施基因重組的技術，也稱為重組DNA。

目的是將一個個體細胞內的遺傳基因轉移到另一個不同性狀的個體細胞內DNA分子，使之發生遺傳變異。來自供體的目的基因被轉入受體細菌後，可進行基因產物的表達，從而獲得用一般方法難以獲得的產品，如胰島素、干擾素、乙型肝炎疫苗等是通過以相應基因與大腸桿菌或酵母菌的基因重組而大量生產的。即基因重組

由於基因的獨立分配或連鎖基因之間的交換而在後代中出現親代所沒有的基因組合。

原核生物的基因重組有轉化、轉導和接合等方式。受體細胞直接吸收來自供體細胞的DNA片段，並使它整合到自己的基因組中，從而獲得供體細胞部分遺傳性狀的現象，稱為轉化。通過噬菌體媒介，將供體細胞DNA片段帶進受體細胞中，使後者獲得前者的部分遺傳性狀的現象，稱為轉導。自然中轉導現象較普遍，可能是低等生物進化過程中產生新的基因組合的一種基本方式。供體菌和受體菌的完整細胞經直接接觸而傳遞大段DNA遺傳信息的現象，稱為接合。細菌和放線菌均有接合現象。高等動植物中的基因重組通常在有性生殖過程中進行，即在性細胞成熟時發生減數分裂時同源染色體的部分遺傳物質可實現交換，導致基因重組。基因重組是雜交育種的生物學基礎，對生物圈的繁榮昌盛起重要作用，也是基因工程中的關鍵性內容。

從廣義上講，任何造成基因型變化的基因交流過程，都叫做基因重組。而狹義的基因重組僅指涉及DNA分子內斷裂—複合的基因交流。真核生物在減數分裂時，通過非同源染色體的自由組合形成各種不同的配子，雌雄配子結合產生基因型各不相同的後代，這種重組過程雖然也導致基因型的變化，但是由於它不涉及DNA分子內的斷裂c複合，因此，不包括在狹義的基因重組的範圍之內。 ^[2] 

基因重組是指一個基因的DNA序列是由兩個或兩個以上的親本DNA組合起來的。基因重組是遺傳的基本現象，病毒、原核生物和真核生物都存在基因重組現象。減數分裂可能發生基因重組。基因重組的特點是雙DNA鏈間進行物質交換。真核生物，重組發生在減數分裂期同源染色體的非姊妹染色單體間，細菌可發生在轉化或轉導過程中，通常稱這類重組為同源重組（homologous recombination），即只要兩條DNA序列相同或接近，重組可在此序列的任何一點發生。然而在原核生物中，有時基因重組依賴於小範圍的同源序列的聯會，重組只限於該小範圍內，只涉及特定位點的同源區，把這類重組稱作位點專一性重組(site-specific recombination），此外還有一種重組方式，完全不依賴於序列間的同源性，使一段DNA序列插入另一段中，在形成重組分子時依賴於DNA複製完成重組，稱此類重組為異常重組（illegitimate recombination），也稱複製性重組（replicative recombination）。

自然界不同物種或個體之間的基因轉移和重組是經常發生的，它是基因變異和物種進化的基礎。自然界的基因轉移的方式有：

接合作用：當細胞與細胞、或細菌通過菌毛相互接觸時，質粒DNA就可從一個細胞（細菌）轉移至另一細胞(細菌），這種類型的DNA轉移稱為接合作用（conjugation ）。

轉化作用（transformation) 通過自動獲取或人為地供給外源DNA，使細胞或培養的受體細胞獲得新的遺傳表型。

轉導作用：當病毒從被感染的（供體）細胞釋放出來、再次感染另一（受體）細胞時，發生在供體細胞與受體細胞之間的DNA轉移及基因重組即為轉導作用（transduction）。

轉座：大多數基因在基因組內的位置是固定的，但有些基因可以從一個位置移動到另一位置。這些可移動的DNA 序列包括插入序列和轉座子。由插入序列和轉座子介導的基因移位或重排稱為轉座（transposition ）。

基因重組：在接合、轉化、轉導或轉座過程中，不同DNA分子間發生的共價連接稱基因重組。基因重組包括位點特異性的重組和同源重組兩種類型。有整合酶催化的在兩個DNA序列特異位點間發生的整合，產生位點特異的重組。特異重組依賴特異的DNA序列，如λ噬菌體的整和酶可識別噬菌體DNA和宿主染色體的特異靶位點，並進行選擇性整合；反轉錄病毒整合酶識別整合反轉錄病毒cDNA的長末端重複序列等。另外有發生在同源序列間的同源重組，又稱基本重組。同源重組依賴兩分子間序列的相同或相似性，將外源DNA整合進宿主染色體。

歷史：1936年F. M. Burnet發表了噬菌體能產生突變體的觀點，其噬菌斑的外形和野生型的有明顯區別，可惜未能引起重視，以致噬菌體遺傳學延遲了十幾年才得以建立。

1946年第11屆冷泉港學術討論會上，在宣佈一基因一酶學説的勝利，及Ledernerg、Tatum細菌雜交實驗報告的同時，Hershey和Luria宣佈發現了噬菌體的r，h突變，Delbrück和Hershey發表了他們各自發現的噬菌體重組，這四項重大的發現分別在1958年和1969年獲得了諾貝爾獎。後兩項的發現有力地推動了噬菌體遺傳學的發展。

噬菌體的基因重組和細菌不同，而和真核的重組十分相似。雜交是用標記不同的噬菌體之間進行。然後計算重組噬菌體佔總的子代噬菌體的比例來確定重組值。一般可以選用2－4個基因差異的噬菌體來混合感染細菌。首先把不同類型的噬菌體混合起來和細菌一起塗布在固體培養基上，細菌的濃度要達到可以長成菌苔（lawn）的水平，噬菌體的濃度要很稀。每個噬菌體感染一個細菌，經過裂解週期，宿主細胞破裂後，釋放出的子噬菌體又去感染周圍的細菌，結果在菌苔上形成一個圓形清亮的斑，稱為噬菌斑（plaque），而一個噬菌斑來自最初塗布平板時的一個噬菌體。噬菌斑的形態必須選擇容易區別的，以表示噬菌體的相應表型。單個的噬菌體只能在電鏡下才可觀察其形態，突變引起其形態變化沒有電鏡是無法鑑別的，但突變影響到生活週期，會產生不同的噬菌斑，因此通過噬菌斑的觀察我們很容易觀察基因型的變化與重組。

Hershey等用T2噬菌體的兩個不同表型特徵：噬菌斑的形態和宿主範圍來進行雜交。一個噬菌體的基因型是h+r，另一個噬菌體的基因型是h r+。h+表示宿主範圍（hostrange），是野生型，能在E.coliB菌株上生長，r 表示快速溶菌（rapid lysis），產生的噬菌斑大，邊緣清楚。h噬菌體能在E.coli B和B/2品系上生長，r+產生小而邊緣模糊的噬菌斑，能產生透明的噬菌斑，而h+因只能裂解E.coli B，所以在B和B/2的混合菌上產生的噬菌斑是半透明的。

雜交時hr+和h+r混合感染E.coli B和B/2，在B和B/2混合菌苔上出現了四種噬菌斑，表明h r+ 和h+r之間有一部分染色體在B菌株的細胞中進行了重組，釋放出的子噬菌體有一部分的基因型為h+r+和h r。我們利用下面的公式就可以計算出和兩個位點的重組值：

重組值=（h+r++h r）/總噬菌斑數×100%

此重組值也表示兩個連鎖基因之間的遺傳距離。

基因重組是指控制不同性狀的基因重新組合。能產生大量的變異類型，但只產生新的基因型，不產生新的基因。基因重組發生在有性生殖的減數第一次分裂過程中，即四分體時期，同源染色體的非姐妹染色單體交叉互換和減數第一次分裂後期非等位基因隨着非同源染色體的自由組合而自由組合，基因重組是雜交育種的理論基礎。

基因突變是指DNA分子發生鹼基對的替換、增添和缺失而引起的基因結構的改變，從而導致遺傳信息的改變。基因突變的頻率很低，但能產生新的基因，對生物的進化有重要意義。發生基因突變的原因是 DNA在複製時因受內部因素和外界因素的干擾而發生差錯。典型實例是鐮刀形細胞貧血症。基因突變是誘變育種的理論基礎。

基因的分離定律1866年，奧地利學者G.J.孟德爾在他的豌豆雜交實驗論文中，用大寫字母A、B等代表顯性性狀如圓粒、子葉黃色等，用小寫字母a、b等代表隱性性狀如皺粒、子葉綠色等。他並沒有嚴格地區分所觀察到的性狀和控制這些性狀的遺傳因子。但是從他用這些符號所表示的雜交結果來看，這些符號正是在形式上代表着基因，而且至今在遺傳學的分析中為了方便起見仍沿用它們來代表基因。

20世紀初孟德爾的工作被重新發現以後，他的定律又在許多動植物中得到驗證。1909年丹麥學者W.L.約翰森提出了基因這一名詞，用它來指任何一種生物中控制任何性狀而其遺傳規律又符合於孟德爾定律的遺傳因子，並且提出基因型和表現型這樣兩個術語，前者是一個生物的基因成分，後者是這些基因所表現的性狀。

1910年美國遺傳學家兼胚胎學家T.H.摩爾根在果蠅中發現白色複眼 (white eye,W）突變型，首先説明基因可以發生突變，而且由此可以知道野生型基因W+具有使果蠅的複眼發育成為紅色這一生理功能。1911年摩爾根又在果蠅的 X連鎖基因白眼和短翅兩品系的雜交子二代中，發現了白眼、短翅果蠅和正常的紅眼長翅果蠅，首先指出位於同一染色體上的兩個基因可以通過染色體交換而分處在兩個同源染色體上。交換是一個普遍存在的遺傳現象，不過直到40年代中期為止，還從來沒有發現過交換髮生在一個基因內部的現象。因此當時認為一個基因是一個功能單位，也是一個突變單位和一個交換單位。

40年代以前，對於基因的化學本質並不瞭解。直到1944年 O.T.埃弗裏等證實肺炎雙球菌的轉化因子是DNA，才首次用實驗證明了基因是由DNA構成。

1955年S.本澤用大腸桿菌T4噬菌體作材料，研究快速溶菌突變型rⅡ的基因精細結構，發現在一個基因內部的許多位點上可以發生突變，並且可以在這些位點之間發生交換，從而説明一個基因是一個功能單位，但並不是一個突變單位和交換單位，因為一個基因可以包括許多突變單位（突變子）和許多重組單位（重組子）（見互補作用）。

1969年J.夏皮羅等從大腸桿菌中分離到乳糖操縱子，並且使它在離體條件下進行轉錄，證實了一個基因可以離開染色體而獨立地發揮作用，於是顆粒性的遺傳概念更加確立。隨着重組DNA技術和核酸的順序分析技術的發展，對基因的認識又有了新的發展，主要是發現了重疊的基因、斷裂的基因和可以移動位置的基因。

通過使用基因芯片分析人類基因組，可找出致病的遺傳基因。癌症、糖尿病等，都是遺傳基因缺陷引起的疾病。醫學和生物學研究人員將能在數秒鐘內鑑定出最終會導致癌症等的突變基因。藉助一小滴測試液，醫生們能預測藥物對病人的功效，可診斷出藥物在治療過程中的不良反應，還能當場鑑別出病人受到了何種細菌、病毒或其他微生物的感染。利用基因芯片分析遺傳基因，將使10年後對糖尿病的確診率達到50%以上。　未來人們在體檢時，由搭載基因芯片的診斷機器人對受檢者取血，轉瞬間體檢結果便可以顯示在計算機屏幕上。利用基因診斷，醫療將從千篇一律的“大眾醫療”的時代，進步到依據個人遺傳基因而異的“定製醫療”的時代。

①基因的自由組合：減數分裂（減1後期）形成配子時，隨着非同源染色體的自由組合，位於這些染色體上的非等位基因也自由組合。組合的結果可能產生與親代基因型不同的個體。

②基因的交叉互換：減Ⅰ四分體時期，同源染色體上（非姐妹染色單體）之間等位基因的交換。結果是導致染色單體上基因的重組，組合的結果可能產生與親代基因型不同的個體。

③重組DNA技術（注：對轉基因生物和轉基因食品的安全性問題，應該用一分為二的觀點看問題，用其利，避其害。中國規定對於轉基因產品必須標明。）

應用：作物抗逆性品種、高產品種定向選育，重組抗原抗體制備，重組蛋白表達，工業微生物育種，科學研究等

2022年10月，Nature子刊中德國科隆馬克斯普朗克植物育種研究所Raphael Mercier領導的研究小組的發現發現了支持此前提出的交叉干擾模型。Mercier和他的團隊，以及由Stéphanie Durand、qiichao Lian和Juli Jing領導的工作，通過操縱已知的在模式植物中參與促進雜交或連接染色體的蛋白質表達，實現了這些見解擬南芥Mercier和他的同事利用這種物種來獲得對遺傳機制的基本見解。促進前交叉蛋白HEI10的表達會導致交叉的顯著增加，破壞蛋白質ZYP1的表達也是如此，ZYP1是突觸複合體的組成部分，突觸複合體是同源染色體之間形成的一種蛋白質結構。當科學家們將這兩種干預結合起來時，他們驚訝地觀察到交叉的大量增加，這表明HE10的劑量和ZYP1共同控制CO模式。重要的是，以這種方式大量增加交叉幾乎不會影響細胞分裂。

研究團隊的發現為有性繁殖過程中染色體重組是如何被調節的這個長達一個世紀的謎團提供了一種解釋，但也已經在展望未來:“這些結果令人興奮地洞察了一個困擾科學家們100多年的過程。接下來，人類想更好地瞭解是什麼控制了HEI10液滴的動力學，以及它們是如何促進交叉的。如果人類能更好地處理這一過程是如何工作的，這可能會讓人類在植物育種過程中有選擇地促進重組，使人類能夠組裝那些一直無法達到的有益等位基因組合。”