DNA插入/缺失对遗传变异的影响及其发生机制的研究

遗传变异是生物多样性的物质基础。明确DNA遗传变异的产生机制在生命科学中具有重要理论和实践意义。我们通过比较基因组学的研究表明：在DNA插入/缺失位点附近遗传突变率急剧增加；插入/缺失具有诱导DNA遗传突变的作用；插入/缺失诱导产生的突变是遗传变异的主要来源。尽管插入/缺失诱导自发突变的研究被国际著名刊物《自然》发表，可是，基因组水平的研究结果不能给出最终结论，只有分子水平的实验才能明确证明该机制的存在。为此，我们以酿酒酵母为材料，设计了一系列插入/缺失结构的新品系，通过减数分裂和有丝分裂期间的实验，直接比较插入/缺失的存在与否对其周围序列突变率和重组率的影响，从而揭示插入/缺失这种非对称的基因组结构对遗传变异产生和保留的作用机制。用实验来证明新的遗传突变和隔离机制，可以加深人们对生物的遗传与变异、个体分化与物种形成、甚至某些疾病发生和杂种优势产生机制的理解，在后基因组时代具有特殊的重要性

遗传变异是生物多样性的物质基础，明确DNA遗传变异的产生机制在生命科学中具有重要理论和实践意义。以前，人们把目光都集中于核苷酸多态性的研究而忽略了插入/缺失的重要性，比较基因组学的研究表明，插入/缺失（insertions and deletions, indels）对核苷酸替代的产生具有促进作用，即“插入/缺失诱变假说”。假说认为：插入/缺失不仅对周围区域单核苷酸突变有着重要的影响，同时也会抑制周边序列发生重组，从而对突变的保留及增加遗传差异性也发挥了重要的作用。围绕该假说，我们分别选择酵母（Saccharomyces cerevisiae）和拟南芥为实验材料，检测插入/缺失对突变率和重组率的作用。以HIS3和URA3为标记基因，我们在酵母中设计了带有一系列插入/缺失结构的新品系，直接比较插入/缺失的存在与否以及插入/缺失的大小对酵母突变率和重组率的影响。实验的结果表明：插入/缺失异质结构的存在并没有直接使周围序列突变率的明显上升；插入/缺失能引起周围序列重组率的显著下降，且这个现象在有丝分裂和减数分裂中都存在；插入序列长度越长，距离插入/缺失结构越近，重组率抑制作用越明显。这一实验结果第一次直接的证明了插入/缺失的重组有抑制作用，及其对其周围观察到的碱基替代率上升的现象的所做的可能贡献。除了以微生物酵母作为研究减数分裂重组的实验材料，我们还以拟南芥为实验材料，通过全基因组测序两种不同生态型（Col和Ler）杂交形成的杂合体F2后代及其亲本，系统检验了基因组范围内的交叉互换（crossover）和基因转换（gene conversion）等的分布与特征。研究结果显示，所有的重组事件中，超过90%（可能接近99%）的重组事件为基因转换，且由于转换事件所引起的氨基酸序列的突变率是自发突变率的600倍以上。这一工作第一次以高精度测序的方法揭示了拟南芥中减数分裂不同重组事件的数目和分布，对于进一步了解插入/缺失对重组和突变的影响和机制具有重要的指导意义。

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