分子生物學導論/DNA複製及其修復
我們知道細胞分裂對於生物體的生長至關重要，但是當細胞分裂時，它必須複製基因組中的DNA（DNA複製發生在S期），這樣兩個子細胞才能與親代細胞具有相同的遺傳資訊。DNA的雙鏈結構為DNA複製提供了一個簡單的機制。在這裡，兩條鏈被分離，然後每條鏈的互補DNA序列透過一種叫做DNA聚合酶的酶被重新建立。這種酶透過互補鹼基配對找到正確的鹼基，並將它與原始鏈連線起來，從而構建互補鏈。由於DNA聚合酶只能以5′到3′的方向延伸DNA鏈，因此不同的機制被用來複制雙螺旋的兩個反向平行的鏈。透過這種方式，舊鏈上的鹼基決定了新鏈上出現哪個鹼基，細胞最終得到了它DNA的完美副本。
a: 模板，b: 前導鏈，c: 滯後鏈，d: 複製叉，e: 引物，f: 岡崎片段
在細胞中，DNA複製從基因組中特定的位置開始，稱為"起點"。DNA在起點處解開，併合成新的鏈，形成複製叉。除了DNA聚合酶（透過新增與模板鏈匹配的核苷酸來合成新DNA的酶）之外，還有一些其他蛋白質與叉相關聯，並協助DNA合成的起始和繼續。DNA複製也可以在體外（在細胞外）進行。從細胞中分離出來的DNA聚合酶和人工DNA引物被用來在模板分子中的已知序列處啟動DNA合成。聚合酶鏈式反應 (PCR) 是一種常見的實驗室技術，它以迴圈方式利用這種人工合成來從DNA池中擴增特定的目標DNA片段。[1]
前導鏈模板是DNA雙螺旋的模板鏈，其方向為3'到5'。所有的DNA合成都是5'-3'。原始的DNA鏈必須以3'-5'的方向讀取，以產生5'-3'的新生鏈。前導鏈是沿著前導鏈模板形成的，因為聚合酶"讀取"模板DNA並不斷地將核苷酸新增到延伸鏈的3'端。這種聚合酶在原核生物中是DNA聚合酶III（DNA Pol III），推測在真核生物中是Pol ε。
滯後鏈模板是DNA雙螺旋的編碼鏈，其方向為5'到3'。新生成的滯後鏈仍然是5'-3'合成的。但是，由於DNA的方向不允許連續合成，因此一次只能讀取一小段。在複製起點3'端放置一個RNA引物。和以前一樣，DNA聚合酶以3'-5'的方向讀取原始DNA，以產生5'-3'的新生鏈。聚合酶到達複製起點並停止複製，直到在最後一個RNA引物的3'端放置一個新的RNA引物。在滯後鏈上產生的這些DNA片段被稱為岡崎片段。滯後鏈上原始DNA的方向阻止了連續合成。因此，滯後鏈的複製比前導鏈更復雜。在滯後鏈模板上，引物酶"讀取"DNA並在上面新增RNA，形成短的、分離的片段。在真核生物中，引物酶是Pol α的內在成分。DNA聚合酶III或Pol δ延長了引物化的片段，形成了岡崎片段。真核生物中的引物移除也是由Pol δ完成的。在原核生物中，DNA聚合酶I"讀取"片段，利用其瓣狀核酸內切酶結構域去除RNA，並用DNA核苷酸替換RNA核苷酸（這是必要的，因為RNA和DNA使用略微不同的核苷酸）。DNA連線酶將這些片段連線在一起。
岡崎片段是在DNA複製過程中滯後鏈上產生的相對較短的DNA片段（在5'末端沒有RNA引物）。在大腸桿菌中，岡崎片段的長度在1,000到2,000個核苷酸之間，而在真核生物中，通常在100到200個核苷酸之間。它最初是在1968年由岡崎令治、岡崎恆子及其同事在研究大腸桿菌中噬菌體DNA複製時發現的。[2][3]
活細胞中DNA複製的速度最初是透過測量噬菌體感染的大腸桿菌中噬菌體T4 DNA的延伸速度來測量的。[4] 在37 °C下指數DNA增加期間，速度為每秒749個核苷酸。噬菌體T4 DNA合成過程中每鹼基對每複製的突變率為1.7乘以108。[5] 因此，半保留的DNA複製既快速又準確。
基於序列同源性，DNA聚合酶被細分為七個不同的家族：A、B、C、D、X、Y和RT。
1.A家族聚合酶包含複製性和修復性聚合酶。來自該家族的複製性成員包括經過廣泛研究的T7 DNA聚合酶，以及真核線粒體DNA聚合酶γ。修復性聚合酶包括大腸桿菌DNA pol I、熱球菌pol I和嗜熱脂肪芽孢桿菌pol I。這些修復性聚合酶參與切除修復和處理滯後鏈合成過程中產生的岡崎片段。
2.B家族在XPV患者中，認為替代的易錯聚合酶，例如Pol ζ（zeta）（聚合酶ζ是B家族聚合酶，是催化亞基REV3L與Rev7的複合體，與Rev1結合），參與了導致這些患者癌症易感性的錯誤。屬於B家族的DNA聚合酶包含DTDS基序。其他成員包括Pol ε、Pol α、Pol δ。
3.C家族聚合酶是主要的細菌染色體複製酶。來自大腸桿菌的DNA聚合酶IIIα亞基是催化亞基，沒有已知的核酸酶活性。一個單獨的亞基，ε亞基，具有用於染色體複製過程中編輯的3'-5'外切核酸酶活性。最近的研究已將C家族聚合酶歸類為X家族的一個子類別。
4. 家族 D 聚合酶的特性尚未完全瞭解。所有已知例子都存在於古菌的廣古菌亞域，被認為是複製聚合酶。
5. 家族 X 包含著名的真核聚合酶 pol β，以及其他真核聚合酶，如 pol σ、pol λ、pol μ 和末端脫氧核苷酸轉移酶 (TdT)。Pol β 是短片段鹼基切除修復所必需的，鹼基切除修復是一種 DNA 修復途徑，對於修復無鹼基位點至關重要。Pol λ 和 Pol μ 參與非同源末端連線，這是一種重新連線 DNA 雙鏈斷裂的機制。TdT 僅在淋巴組織中表達，並在 V(D)J 重組過程中形成的雙鏈斷裂處新增“n 核苷酸”，以促進免疫多樣性。酵母菌 Saccharomyces cerevisiae 只有一個 Pol X 聚合酶 Pol IV，它參與非同源末端連線。
6. 家族 Y Y 聚合酶與其他聚合酶的不同之處在於它們在未損傷模板上的低保真性 以及它們穿過受損 DNA 複製的能力。因此，這個家族的成員被稱為跨損傷合成 (TLS) 聚合酶。根據損傷的不同，TLS 聚合酶可以以無錯誤或易出錯的方式繞過損傷，後者會導致突變率升高。例如，色素性幹皮病變異體 (XPV) 患者在編碼 Pol η (eta) 的基因中存在突變，該基因對於 UV 損傷是無錯誤的。人類的其他成員包括 Pol ι (iota)、Pol κ (kappa) 和 Rev1 (末端脫氧胞嘧啶轉移酶)。在大腸桿菌中，已知兩種 TLS 聚合酶，Pol IV (DINB) 和 Pol V (UmuD'2C)。
7. 家族 RT (逆轉錄酶) 逆轉錄酶家族包含來自逆轉錄病毒和真核聚合酶的例子。真核聚合酶通常限於端粒酶。這些聚合酶使用 RNA 模板合成 DNA 鏈。
複製是半保留的
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梅塞爾森-斯塔爾實驗是由馬修·梅塞爾森和弗蘭克林·斯塔爾於 1958 年進行的一項實驗，支援了DNA 複製是半保留的這一假設。半保留複製意味著當雙鏈 DNA 螺旋被複制時，兩個雙鏈DNA 螺旋中的每一個都包含來自原始螺旋的一條鏈和一條新合成的鏈。它被稱為“生物學中最美麗的實驗”。[6]"
之前已經針對 DNA 複製方法提出了三種假設。
在半保留假設中，由沃森和克里克提出，DNA 分子的兩條鏈在複製過程中分離。然後，每條鏈作為合成新鏈的模板。[7]
保守假設提出，整個 DNA 分子作為合成一個全新的分子的模板。根據這個模型，組蛋白 蛋白質結合到 DNA 上，以某種方式扭曲 DNA，以使兩條鏈的鹼基暴露出來進行氫鍵結合。[8]
分散假設由馬克斯·德爾布呂克提出的模型來舉例說明，該模型試圖透過一種機制來解決解開雙螺旋兩條鏈的問題，該機制每隔 10 個核苷酸左右打斷 DNA 主鏈，解開分子，並將舊鏈連線到新合成的鏈的末端。這將在短片段中合成 DNA，這些片段交替來自一條鏈到另一條鏈。[9]
這三種模型中的每一種都對複製後形成的分子中“舊” DNA 的分佈做出了不同的預測。在保守假設中，複製後，一個分子是完全保守的“舊”分子，另一個是全部新合成的 DNA。半保留假設預測，複製後的每個分子都將包含一條舊鏈和一條新鏈。分散模型預測，每個新分子的每條鏈都將包含舊 DNA 和新 DNA 的混合物。[10]
可以透過利用 DNA 由氮鹼基組成的事實來確認半保留理論。氮有一種同位素 N15（N14 是最常見的同位素），稱為重氮。證實半保留理論預測的實驗[11][12]利用了這種同位素，並按如下步驟進行：細菌（大腸桿菌）DNA 被放置在含有重氮 (N15) 的培養基中，重氮會結合到 DNA 上，使其可識別。然後將含有這種 DNA 的細菌放置在存在 N14 的培養基中，並使其僅複製一次。新的鹼基將含有氮 14，而原始的將含有 N15。將 DNA 放置在含有氯化銫（重化合物）的試管中，並在每分鐘 40,000 轉的條件下離心。氯化銫分子沉到底部試管，形成密度梯度。DNA 分子將在其相應的密度水平處定位（考慮到 N15 比 N14 密度更大）。在紫外線下觀察這些試管。DNA 在試管中以不同高度的細層出現，這取決於它們的密度。根據半保留理論，在 DNA 複製一次後，我們應該從 DNA 的每條原始鏈獲得 2 個雜合（部分 N14 部分 N15）分子。這將出現在試管中的一條線上。分散理論的結果將相同。另一方面，根據保守理論，我們應該獲得一個原始的 DNA 雙鏈體和一個全新的雙鏈體，即試管中放置的兩個彼此分開的細線。到目前為止，半保留理論或分散理論可能是正確的，因為實驗證據證實，在複製一次後只出現了一條線。為了在兩者之間得出結論，DNA 必須再次複製，仍然在含有 N14 的培養基中。在分散理論中，在兩次分裂後，我們應該獲得一條線，但在試管中更高的地方，因為隨著 N14 在分子中變得更加豐富，DNA 分子變得不那麼稠密。根據半保留理論，應該產生 2 個雜合分子和 2 個完全的 N14 分子，因此應該在試管中觀察到兩個不同高度的細線。實驗證據證實觀察到兩條線，因此為半保留理論提供了令人信服的證據。
遺傳證據
最近，透過對單個突變細菌進行高通量基因組測序，提供了半保留理論的獨立“遺傳”證據。大腸桿菌用甲基磺酸乙酯 (EMS) 處理，已知由於生成異常鹼基 O-6-乙基鳥嘌呤，會誘導 G:C → A:T 轉變，該鹼基在 DNA 複製過程中被錯誤識別，並與 T 配對而不是 C。來自 EMS 誘變細菌的單個菌落的測序 DNA 表現出僅 G → A 或 C → T 轉變的長片段，在某些情況下跨越整個細菌基因組。這種觀察結果的基本解釋是基於半保留機制：人們應該期望在複製後子代鏈分離到不同的細胞中，這導致每個後代細胞僅具有 G → A 或 C → T 轉變。
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氮是 DNA 的主要成分。14N 是迄今為止最豐富的氮同位素，但含有較重（但非放射性）15N 同位素的 DNA 也是有效的。
大腸桿菌 在含有15N 的培養基中生長了幾代。當從這些細胞中提取 DNA 並將其在鹽密度梯度上離心時，DNA 在其密度等於鹽溶液密度的位置處分離出來。在15N 培養基中生長的細胞的 DNA 比在正常14N 培養基中生長的細胞的 DNA 密度更高。之後，將僅在 DNA 中含有15N 的大腸桿菌細胞轉移到14N 培養基中，並使其分裂；透過測量細胞懸浮液的光密度來監測細胞分裂的程序。
定期提取 DNA，並將其與純14N DNA 和15N DNA 進行比較。發現複製一次後，DNA 的密度接近中間密度。由於保守複製會導致密度較高和密度較低的 DNA 等量（但沒有中間密度的 DNA），因此排除了保守複製。然而，該結果與半保留複製和分散複製都一致。半保留複製會導致一條鏈為15N DNA，另一條鏈為14N DNA 的雙鏈 DNA，而分散複製會導致兩條鏈都含有15N 和14N DNA 混合物的雙鏈 DNA，這兩種情況都將顯示為中間密度的 DNA。
研究人員在複製過程中持續取樣細胞。發現完成兩次複製後的細胞中的 DNA 由等量的兩種不同密度的 DNA 組成，其中一種對應於僅在一個14N 培養基中分裂一次的細胞的 DNA 的中間密度，另一種對應於僅在14N 培養基中生長的細胞的 DNA。這與分散複製不一致，分散複製會導致單個密度，該密度低於一代細胞的中間密度，但仍高於僅在14N DNA 培養基中生長的細胞，因為原始的15N DNA 將均勻地分佈在所有 DNA 鏈中。結果與半保留複製假說一致[11]
原核生物中的複製
[edit | edit source]原核生物中的 DNA 複製在 E. coli 中得到了廣泛的研究。它是雙向的，起源於單個複製起點 (OriC)。
引物酶
[edit | edit source]在細菌中，引物酶與 DNA 解旋酶結合形成稱為引物體的複合物。引物酶被 DNA 解旋酶啟用，然後合成一個大約 11 ±1 個核苷酸長的短 RNA 引物，新的核苷酸可以由 DNA 聚合酶新增到該引物上。
引物體
[edit | edit source]引物體是一種蛋白質複合物，負責在 DNA 複製過程中在單鏈 DNA 上建立 RNA 引物。引物體是核蛋白組裝體，啟用 DNA 複製叉。它們的主要作用是將複製性解旋酶招募到單鏈 DNA 上。“複製重啟”引物體，在 Escherichia coli 中被定義，參與重新啟用停滯的複製叉。
Escherichia coli 引物體的組裝需要六種蛋白質，PriA、PriB、PriC、DnaB、DnaC 和 DnaT，它們在包被 SSB 的單鏈 (8s) DNA 上的引物體組裝位點 (pas) 上起作用。組裝由 PriA 和 PriB 與 ssDNA 和 pas 的相互作用啟動。PriC、DnaB、DnaC 和 DnaT 然後作用於 PriAPriB-DNA 複合物，產生引物體。
引物體包含 七種蛋白質：DnaG 引物酶、DnaB 解旋酶、DnaC 解旋酶輔助蛋白、DnaT、PriA、Pri B 和 PriC。引物體在 DNA 的引導鏈上使用一次，並重復使用，在滯後 DNA 鏈上啟動每個岡崎片段。最初由 PriA、PriB 和 PriC 形成的複合物與 DNA 結合。然後 DnaB-DnaC 解旋酶複合物與 DnaT 一起附著。這種結構被稱為 前引物體。最後，DnaG 將與前引物體結合形成完整的引物體。引物體將 1-10 個 RNA 核苷酸連線到單鏈 DNA 上，形成 DNA-RNA 雜合體。這個 RNA 序列被用作引物來啟動 DNA 聚合酶 III。RNA 鹼基最終被 RNase H 核酸酶（真核生物）或 DNA 聚合酶 I 核酸酶（原核生物）替換為 DNA 鹼基。然後 DNA 連線酶作用於將兩個末端連線在一起。
DNA 鏈的延伸
[edit | edit source]一旦引物完成，DNA 聚合酶 III 全酶就被載入到 DNA 中，複製開始。DNA 聚合酶 III 的催化機制涉及在活性位點使用兩個金屬離子，以及活性位點中能夠區分脫氧核糖核苷酸和核糖核苷酸的區域。金屬離子是一般二價陽離子，有助於 3' OH 啟動對脫氧核糖核苷酸的α磷酸的親核攻擊，並定向和穩定脫氧核糖核苷酸上帶負電荷的三磷酸。3' OH 對α磷酸的親核攻擊釋放焦磷酸，然後焦磷酸被無機磷酸酶水解成兩個磷酸。這種水解推動 DNA 合成完成。
此外，DNA 聚合酶 III 必須能夠區分正確配對的鹼基和錯誤配對的鹼基。這是透過利用一個形狀與正確配對的核苷酸結構互補的活性位點口袋來區分沃森-克里克鹼基對來實現的。該口袋有一個酪氨酸殘基，能夠與正確配對的核苷酸形成範德華相互作用。此外，活性位點中的 dsDNA（雙鏈 DNA）具有更寬且更淺的次要溝槽，允許與嘌呤鹼基的第三個氮原子和嘧啶鹼基的第二個氧原子形成氫鍵。最後，活性位點與 DNA 骨架形成廣泛的氫鍵。這些相互作用導致 DNA 聚合酶 III 圍繞正確配對的鹼基閉合。如果插入一個鹼基並錯誤配對，則這些相互作用將無法發生，因為氫鍵和範德華相互作用會受到破壞。
DNA 在 3' → 5' 方向上讀取，因此核苷酸在 5' → 3' 方向上合成（或連線到模板鏈）。但是，DNA 的一條親本鏈是 3' → 5'，而另一條是 5' → 3'。為了解決這個問題，複製在相反的方向上進行。朝向複製叉移動，引導鏈以連續的方式合成，只需要一個引物。另一方面，滯後鏈朝遠離複製叉的方向移動，以一系列稱為岡崎片段的短片段合成，因此需要許多引物。岡崎片段的 RNA 引物隨後被 RNAse H 和 DNA 聚合酶 I（核酸外切酶）降解，間隙（或切口）被脫氧核糖核苷酸填充，並由連線酶封閉。[13]
終止
[edit | edit source]E. coli 中的 DNA 複製終止是透過使用終止序列和Tus 蛋白來完成的。Tus 是一種序列特異性 DNA 結合蛋白，它促進原核生物 DNA 複製中的終止。在E. Coli 中，Tus 結合細菌染色體中編碼的十個密切相關的 23 個鹼基對結合位點。這些位點被稱為Ter 位點，被命名為TerA、TerB、...、TerJ。結合位點是不對稱的，因此當複製叉從一個方向遇到 Tus-Ter 複合物（Tus 蛋白與 Ter 位點結合）時，複合物會解離，複製繼續（允許）。但是，當從另一個方向遇到時，Tus-Ter 複合物會提供更大的動力學障礙並停止複製（不允許）。染色體中的多個 Ter 位點是定向的，這樣兩個相反方向移動的複製叉都停滯在所需的終止區域。
原核生物中的 DNA 聚合酶
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在原核生物中，有 5 種 DNA 聚合酶
Pol I：參與 DNA 修復；具有 5'->3' 聚合酶活性，以及 3'->5' 核酸外切酶活性（校對）和 5'->3' 核酸外切酶活性（RNA 引物去除）。
Pol II：參與修復受損的 DNA；具有 3'->5' 核酸外切酶活性。該酶的大小為 90 kDa，由 polB 基因編碼。DNA Pol II 可以以平均每秒 40 到 50 個核苷酸的速度合成新的 DNA 鹼基對。
Pol III：細菌中的主要聚合酶（負責延伸）；具有 3'->5' 核酸外切酶活性（校對）。複製體由以下組成：2 個 DNA Pol III 酶，由 α、ε 和 θ 亞基組成。α 亞基合成 RNA/DNA 引物。ε 亞基合成引導鏈。θ 亞基刺激 ε 亞基的校對。2 個 β 亞基充當滑動 DNA 夾，它們使聚合酶與 DNA 結合。2 個 τ 亞基的作用是使兩個核心酶（α、ε 和 θ 亞基）二聚化。1 個 γ 亞基充當滯後鏈岡崎片段的夾子載入器，幫助兩個 β 亞基形成一個單元並與 DNA 結合。γ 單元由 5 個 γ 亞基組成，包括 3 個 γ 亞基、1 個 δ 亞基和 1 個 δ' 亞基。δ 參與滯後鏈的複製
Pol IV：一種 Y 家族 DNA 聚合酶。
Pol V：一種 Y 家族 DNA 聚合酶；參與繞過 DNA 損傷。
DNA 聚合酶 I 或 Pol I
[edit | edit source]DNA 聚合酶 I（或 Pol I）是一種參與原核生物 DNA 複製過程的酶。它包含 928 個氨基酸，是連續酶的一個例子——它可以依次催化多個聚合反應。它是由Arthur Kornberg 在 1956 年發現的，它是第一個已知的 DNA 聚合酶（也是第一個已知的任何型別的聚合酶）。它最初在 E. coli 中被描述，儘管它在原核生物中普遍存在。在 E. coli 和許多其他細菌中，編碼Pol I 的基因被稱為 polA。Pol I 具有三種酶活性：（1）5' -> 3'（正向）DNA 聚合酶活性，需要 3' 引物位點和模板鏈；（2）3' -> 5'（反向）核酸外切酶活性，介導校對；以及（3）5' -> 3'（正向）核酸外切酶活性，介導 DNA 修復過程中的切口翻譯。
Klenow 片段
[edit | edit source]大腸桿菌DNA聚合酶I的5'→3'外切酶活性使其不適合許多應用，而缺少這種活性的Klenow片段在研究中非常有用。Klenow片段對於基於研究的任務非常有用，例如：(1) 從單鏈模板合成雙鏈DNA；(2) 填補(即去除突出部分以建立平端) DNA片段的凹陷3'端；(3) 消化突出的3'突出部分；(4) 製備放射性DNA探針。Klenow片段也是最初用於在聚合酶鏈反應(PCR)過程中極大地擴增DNA片段的酶，後來被耐熱酶(如Taq聚合酶)取代。
許多細胞過程(DNA複製、轉錄、翻譯、重組、DNA修復、核糖體生物合成)都涉及核酸鏈的分離。解旋酶通常被用來分離DNA雙螺旋或自退火的RNA分子的鏈，利用來自ATP水解的能量，這個過程的特點是打破退火核苷酸鹼基之間的氫鍵。它們以特定於每種特定酶的方向性和過程性，逐步沿著雙鏈體的一個核酸鏈移動。由於必須催化鏈分離的各種過程，因此存在許多解旋酶(大腸桿菌中已確認14種，人類細胞中已確認24種)。
解旋酶採用不同的結構和寡聚化狀態。雖然DnaB樣解旋酶以環狀六聚體形式解開DNA，但其他酶已被證明以單體或二聚體形式發揮作用。研究表明，解旋酶可能被動地起作用，等待非催化解開發生，然後在位移的鏈之間易位，[1]或可以在利用ATP水解產生的能量催化鏈分離中發揮積極作用。在後一種情況下，解旋酶的作用類似於一個主動馬達，解開並沿著其底物易位，這是其ATP酶活性直接的結果。解旋酶在體內可能比在體外處理得更快，這是由於存在輔助蛋白質，這些蛋白質有助於不穩定叉連線。解旋酶編碼基因的缺陷會導致Werner綜合徵，這是一種以早衰為特徵的疾病。[14]
超家族
解旋酶已被歸類為5個超家族(SF1-SF5)。所有這些蛋白質都結合ATP，因此，它們都帶有經典的Walker A(磷酸結合環或P-環)和Walker B(Mg2+-結合天冬氨酸)基序。
超家族I: UvrD(大腸桿菌，DNA修復)，Rep(大腸桿菌，DNA複製)，PcrA(金黃色葡萄球菌，重組)，Dda(T4噬菌體，複製起始)，RecD(大腸桿菌，重組修復)，TraI(F-質粒，結合性DNA轉移)。該家族包括被認為參與病毒RNA複製過程中雙鏈解開的RNA解旋酶。該家族的成員存在於來自超家族1的正鏈單鏈RNA病毒中。這種解旋酶在病毒RNA複製的不同階段具有多種作用，正如突變分析所揭示的。
超家族II: RecQ(大腸桿菌，DNA修復)，eIF4A(麵包酵母，RNA翻譯)，WRN(人，DNA修復)，NS3[5](丙型肝炎病毒，複製)。TRCF(Mfd)(大腸桿菌，轉錄-修復耦合)。
超家族III: LTag(猿猴病毒40，複製)，E1(人乳頭瘤病毒，複製)，Rep(腺病毒相關病毒，複製，病毒整合，病毒體包裝)。超家族3主要由小DNA病毒和一些大型核質DNA病毒編碼的解旋酶組成。[6][7]小病毒在複製方面非常依賴於宿主細胞機制。小病毒中的SF3解旋酶與一個起始點結合域相關。透過將識別起始點的域與一個解旋酶配對，病毒可以繞過基於宿主細胞的調節途徑並啟動自身的複製。該蛋白質與病毒起始點結合，導致起始點解開。然後，細胞複製蛋白被招募到起始點，病毒DNA被複制。
DnaB樣家族: dnaB(大腸桿菌，複製)，gp41(T4噬菌體，DNA複製)，T7gp4(T7噬菌體，DNA複製)。
Rho樣家族: Rho(大腸桿菌，轉錄終止)。注意，這些超家族並沒有包含所有可能的解旋酶。例如，XPB和ERCC2是未包含在上述任何家族中的解旋酶。
RNA解旋酶 RNA解旋酶和DNA解旋酶可以在所有解旋酶超家族中找到，除了SF6。[15] 然而，並非所有RNA解旋酶都表現出透過酶功能定義的解旋酶活性，即Swi/Snf家族的蛋白質。雖然這些蛋白質帶有典型的解旋酶基序，以核酸依賴的方式水解ATP，並圍繞解旋酶核心構建，但通常觀察不到解開活性。[16]
表現出解開活性的RNA解旋酶至少透過兩種不同的機制進行表徵：規範雙鏈解開和區域性鏈分離。規範雙鏈解開是如上所述的雙鏈體逐步定向分離，用於DNA解開。然而，區域性鏈分離透過一種機制發生，其中解旋酶被載入到雙鏈體上的任何位置。這通常由RNA的單鏈區域輔助，酶的載入伴隨著ATP結合。[17] 一旦解旋酶和ATP結合，區域性鏈分離就會發生，這需要ATP結合，但不需要ATP水解的實際過程。[18] 當遇到更少的鹼基對時，雙鏈體就會在沒有酶的進一步幫助的情況下解離。這種解開模式被DEAD-box解旋酶使用。[19]
拓撲異構酶
拓撲異構酶是解開和纏繞DNA的酶，為了讓DNA控制蛋白質的合成，並促進DNA複製。DNA鏈自然存在的雙螺旋構型使它們難以分離，然而，如果其他酶要轉錄編碼蛋白質的序列，或者如果染色體要被複制，它們必須被解旋酶蛋白分離。在所謂的環狀DNA中，雙螺旋DNA彎曲並連線成一個圓圈，兩條鏈在拓撲上連線在一起，或者打結在一起。否則，具有不同扭曲次數的相同DNA環是拓撲異構體，不能透過任何不涉及DNA鏈斷裂的過程相互轉換。拓撲異構酶透過使用保守的酪氨酸作為催化殘基，在DNA中產生短暫的斷裂，催化和指導DNA的解結或解纏結。[3]將病毒DNA插入染色體和其他形式的重組也可能需要拓撲異構酶的作用。
拓撲異構酶可以解決這些拓撲問題，並根據一輪作用中切割的鏈數分為兩種型別：[20] 這兩類酶都利用了保守的酪氨酸。然而，這些酶在結構和機制上是不同的。
- I型拓撲異構酶 切割DNA雙螺旋的一條鏈，發生鬆弛，然後切割的鏈被重新退火。切割一條鏈允許分子在切割一側的部分繞著未切割的鏈旋轉，從而減少螺旋過緊或過鬆造成的應力。當DNA鏈被“超螺旋”或從更高階的螺旋解開或纏繞時，就會引入這種應力。I型拓撲異構酶細分為兩個亞類：IA型拓撲異構酶，它們與II型拓撲異構酶共享許多結構和機制特徵，以及IB型拓撲異構酶，它們利用受控的旋轉機制。IA型拓撲異構酶的例子包括topo I和topo III。在過去，IB型拓撲異構酶被稱為真核topo I，但IB型拓撲異構酶存在於生命的三大域中。有趣的是，IA型拓撲異構酶與DNA的5'端形成共價中間體，而IB型拓撲異構酶與DNA的3'端形成共價中間體。最近，一種IC型拓撲異構酶被鑑定出來，稱為topo V。雖然它在結構上與IA型和IB型拓撲異構酶不同，但它與IB型拓撲異構酶共享類似的機制。
- II型拓撲異構酶 切割一個DNA雙螺旋的兩條鏈，將另一條完整的DNA螺旋透過它，然後重新退火切割的鏈。它也被分為兩個亞類：IIA型和IIB型拓撲異構酶，它們共享相似的結構和機制。IIA型拓撲異構酶的例子包括真核topo II、大腸桿菌gyrase和大腸桿菌topo IV。IIB型拓撲異構酶的例子包括topo VI。
| 拓撲異構酶 | IA | IB | IIA | IIB |
|---|---|---|---|---|
| 金屬依賴性 | 是 | 否 | 是 | 是 |
| ATP依賴性 | 否 | 否 | 是 | 是 |
| 單鏈還是雙鏈切割？ | SS | SS | DS | DS |
| 切割極性 | 5' | 3' | 5' | 5' |
| L變化 | ±1 | ±N | ±2 | ±2 |
I型和II型拓撲異構酶都會改變DNA的連線數(L)。IA型拓撲異構酶將連線數改變一個，IB型和IC型拓撲異構酶將連線數改變任何整數，而IIA型和IIB型拓撲異構酶將連線數改變兩個。
許多藥物透過干擾拓撲異構酶發揮作用。廣譜氟喹諾酮類抗生素透過破壞細菌II型拓撲異構酶的功能起作用。一些化療藥物透過干擾癌細胞中的拓撲異構酶發揮作用：1型被伊立替康和託泊替康抑制。2型被依託泊苷(VP-16)、替尼泊苷和HU-331抑制，HU-331是一種從大麻二酚合成的喹諾酮類藥物。拓撲異構酶I是硬皮病中抗Scl-70抗體識別的抗原。這些小分子抑制劑透過利用拓撲異構酶在染色體DNA中產生斷裂的自然能力，作為有效的抗菌和抗癌劑。這些DNA斷裂累積，最終導致程式性細胞死亡，即細胞凋亡。
真核生物的 DNA 複製比原核生物複雜得多，儘管它們有許多相似之處。真核細胞只能在細胞週期的特定時間點，即 **S 期** 開始時啟動 DNA 複製。
真核生物的 DNA 複製僅發生在細胞週期的 S 期。然而，預起始發生在 G1 期。因此，預起始和活化的分離確保每個細胞週期中複製起點只能啟動一次。由於真核生物染色體體積巨大，真核生物染色體包含 **多個複製起點**。一些複製起點得到了很好的描述，例如酵母的 **自主複製序列 (ARS)**，而其他真核複製起點，特別是後生動物中的複製起點，可以在數千個鹼基對的範圍內找到。[21]
至少有 15 種已知的真核 DNA 聚合酶
POLA1、POLA2: Pol α (也稱為 RNA 引物酶): 與一個小的催化 (PriS) 亞基和一個大的非催化 (PriL) 亞基形成複合物，Pri 亞基充當引物酶 (合成 RNA 引物)，然後 DNA Pol α 用 DNA 核苷酸延長該引物。大約 20 個核苷酸後[3]，Pol ε (在引導鏈上) 和 δ (在滯後鏈上) 接管了延伸。
POLB: Pol β: 參與 DNA 修復，包括鹼基切除修復和缺口填補合成。
POLG、POLG2: Pol γ: 複製和修復線粒體 DNA，並具有校對 3'->5' 核酸外切酶活性。
POLD1、POLD2、POLD3、POLD4: Pol δ: 高度加工，並具有校對 3'->5' 核酸外切酶活性。被認為是參與滯後鏈合成的主要聚合酶，儘管關於其作用仍存在爭議。
POLE、POLE2、POLE3: Pol ε: 也是高度加工，並具有校對 3'->5' 核酸外切酶活性。與 Pol δ 高度相關，被認為是參與引導鏈合成的主要聚合酶[5]，儘管關於其作用仍存在爭議。
POLH、POLI、POLK、 : η、ι、κ 和 Rev1 是 Y 族 DNA 聚合酶，Pol ζ 是 B 族 DNA 聚合酶。這些聚合酶參與繞過 DNA 損傷。
還有一些其他已知的真核聚合酶，但沒有得到很好的描述：POLQ: 'θ POLL: λ φ σ POLM: μ 沒有任何真核聚合酶可以去除引物 (5'->3' 核酸外切酶活性)；該功能由其他酶執行。只有處理延伸的聚合酶 (γ、δ 和 ε) 具有校對能力 (3'->5' 核酸外切酶)。
G1 期的準備
DNA 複製的第一步是形成預起始複製複合物 (Pre-RC)。該複合物的形成分為兩個階段。第一階段要求沒有 CDK 活性。這隻能發生在 G1 期早期。Pre-RC 的形成被稱為許可，但許可的 Pre-RC 不能在 G1 期 啟動複製。當前的模型認為，它始於複製起點識別複合物 (ORC) 與複製起點的結合。該複合物是由相關蛋白組成的六聚體，即使在 DNA 複製發生後也保持與複製起點的結合。此外，ORC 是原核生物 DnaA 的功能類似物。在 ORC 與複製起點結合後，Cdc6/Cdc18 和 Cdt1 透過首先與 ORC 結合，然後與 MCM (微型染色體維持) 複合物結合來協調 MCM 複合物載入到複製起點。MCM 複合物被認為是真核生物中的主要 DNA 解旋酶。一旦 MCM 結合，就會存在一個完全許可的 Pre-RC。
複合物的活化發生在 S 期，需要 Cdk2-Cyclin E 和 Ddk。活化過程始於 Mcm10 新增到 Pre-RC，這會取代 Cdt1。之後，Ddk 磷酸化 Mcm3-7，這會啟用解旋酶。據信 ORC 和 Cdc6/18 被 Cdk2-Cyclin E 磷酸化。Ddk 和 Cdk 複合物然後招募另一個稱為 Cdc45 的蛋白，然後 Cdc45 招募所有 DNA 複製蛋白到複製叉。在這個階段，複製起點啟動，DNA 合成開始。透過週期蛋白依賴性激酶和稱為 geminin 的蛋白的作用，防止新一輪複製的活化。Geminin 與 Cdt1 結合並將其隔離。它是一種週期性蛋白，首次出現在 S 期，並在 M 期後期降解，可能是通過後期促進複合物 (APC) 的作用。此外，Cdc6/18 的磷酸化會阻止它與 ORC 結合 (從而抑制 MCM 複合物的載入)，而 ORC 的磷酸化尚不清楚。處於細胞週期 G0 期的細胞被阻止啟動一輪複製，因為 Mcm 蛋白沒有表達。
至少三種不同的真核 DNA 聚合酶參與動物細胞中的 DNA 複製 (POL α、Pol δ 和 POL ε)。
Pol α 與一個小的催化 (PriS) 亞基和一個大的非催化 (PriL) 亞基形成複合物，Pri 亞基充當引物酶 (合成 RNA 引物)，然後 DNA Pol α 用 DNA 核苷酸延長該引物。大約 20 個核苷酸後，Pol ε (在引導鏈上) 和 δ (在滯後鏈上) 接管了延伸。
Pol δ: 高度加工，並具有校對 3'->5' 核酸外切酶活性。被認為是參與引導鏈合成的主要聚合酶，儘管關於其作用仍存在爭議。
Pol ε: 也是高度加工，並具有校對 3'->5' 核酸外切酶活性。與 Pol δ 高度相關，被認為是參與滯後鏈合成的主要聚合酶。[22]
核 DNA 和線粒體 DNA 被認為具有不同的進化起源，mtDNA 來自被當今真核細胞祖先吞噬的細菌的環狀基因組。該理論被稱為內共生理論。每個線粒體估計包含 2-10 個 mtDNA 複製。在現存生物的細胞中，線粒體中存在的大多數蛋白 (在哺乳動物中大約有 1500 種不同的型別) 是由核 DNA 編碼的，但其中一些蛋白 (如果不是大多數的話) 的基因被認為最初起源於細菌，在進化過程中轉移到真核細胞核中。
mtDNA 由 DNA 聚合酶 γ 複合物複製，該複合物由 POLG 基因編碼的 140 kDa 催化 DNA 聚合酶和 POLG2 基因編碼的 55 kDa 輔助亞基組成。在胚胎發生過程中，mtDNA 的複製從受精卵細胞到植入前胚胎被嚴格下調。在囊胚階段，mtDNA 複製的開始特定於滋養層細胞。相反，內細胞團的細胞會限制 mtDNA 複製，直到它們接收到分化為特定細胞型別的訊號。D 環複製是葉綠體和線粒體複製其遺傳物質的過程。理解 D 環複製的一個重要組成部分是葉綠體和線粒體與細菌一樣只有一個環狀染色體，而不是真核生物中發現的線性染色體。在許多生物體中，質體中的一個 DNA 鏈包含較重的核苷酸 (相對而言，嘌呤更多：腺嘌呤和鳥嘌呤)。這條鏈稱為 H (重) 鏈。L (輕) 鏈包含較輕的核苷酸 (嘧啶：胸腺嘧啶和胞嘧啶)。複製從從 D 環 (也稱為控制區) 開始的重鏈複製開始。一個複製起點開啟，重鏈在一個方向上被複制。在重鏈複製持續一段時間後，透過另一個複製起點的開啟，還合成一個新的輕鏈。當繪製圖表時，生成的結構看起來像字母 D。D 環區域對於系統地理學研究很重要。由於該區域不編碼任何基因，因此它可以自由變化，對大小和重鏈/輕鏈因子只有很少的選擇性限制。突變率是動物核基因組或線粒體基因組中任何地方最快的突變率之一。D 環中的突變可以有效地跟蹤最近和快速的變化，例如物種內和非常密切相關的物種之間。[23]
該技術最初由羅伊·布里滕及其同事於 20 世紀 60 年代在華盛頓卡內基研究所開發和應用。[24][25] 值得注意的是，正是透過 Cot 分析首次發現了 真核 基因組的冗餘（重複）性質。DNA 中的重複序列。[26] 然而，直到布里滕及其同事突破性的 DNA 重締合動力學實驗表明，並非所有 DNA 都編碼基因。事實上，他們的實驗表明，大多數真核基因組 DNA 由重複的非編碼元件組成。透過快速稀釋樣品來測量單鏈和雙鏈 DNA 的量，從而減緩重締合速度，然後將 DNA 結合到羥基磷灰石柱上。該柱首先用低濃度的磷酸鈉緩衝液洗滌，洗脫單鏈 DNA，然後用高濃度的磷酸鹽洗滌，洗脫雙鏈 DNA。然後使用分光光度計測量這兩種溶液中 DNA 的量。由於單鏈 DNA 序列需要找到其互補鏈才能重新形成雙螺旋，因此常見序列的重性化速度比罕見序列快。事實上，序列重締合的速度與其在 DNA 樣本中的複製數成正比。具有高度重複序列的樣本將快速重性化，而複雜序列將緩慢重性化。然而，與其僅僅測量雙鏈 DNA 的百分比與時間的關係，不如將重性化的量與 C0t 值進行比較。C0t 值是 C0（初始 DNA 濃度）、t（以秒為單位的時間）和一個取決於緩衝液中陽離子濃度的常數的乘積。重複 DNA 將在低 C0t 值下重性化，而複雜和獨特的 DNA 序列將在高 C0t 值下重性化。
DNA 修復
[edit | edit source]由於環境因素和細胞內部的正常代謝過程，DNA 損傷每天發生在每個細胞的 1,000 到 1,000,000 個分子損傷之間。雖然這僅佔人類基因組約 60 億個鹼基（30 億個鹼基對）的 0.000165%，但關鍵基因（如腫瘤抑制基因）中未修復的損傷會阻礙細胞執行其功能並明顯增加腫瘤形成的可能性。
絕大多數 DNA 損傷影響雙螺旋的初級結構；也就是說，鹼基本身被化學修飾。這些修飾反過來會透過引入非天然化學鍵或不適合標準雙螺旋的龐大加合物來破壞分子的規則螺旋結構。與蛋白質和 RNA 不同，DNA 通常缺乏三級結構，因此不會在該水平發生損傷或干擾。然而，DNA 是超螺旋的，並纏繞在稱為組蛋白的“包裝”蛋白質（在真核生物中）周圍，這兩種超結構都容易受到 DNA 損傷的影響。[27]
DNA 損傷型別
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由於內源性細胞過程，DNA 損傷主要有五種型別：（1）鹼基氧化 [例如 8-氧代-7,8-二氫鳥嘌呤 (8-oxoG)] 和活性氧物種產生的 DNA 鏈斷裂；(2) 鹼基烷基化（通常是甲基化），例如形成 7-甲基鳥嘌呤、1-甲基腺嘌呤、6-O-甲基鳥嘌呤；(3) 鹼基水解，例如脫氨基、脫嘌呤和脫嘧啶；(4) “龐大加合物形成”（即苯並[a]芘二醇環氧化物 -dG 加合物）；(5) 鹼基錯配，由於 DNA 複製錯誤，導致錯誤的 DNA 鹼基被縫合到新形成的 DNA 鏈中，或者 DNA 鹼基被跳過或錯誤地插入。由外源性因素引起的損傷由外源性因素引起的損傷有多種形式。以下列舉了一些示例。
UV-B 光會導致相鄰胞嘧啶和胸腺嘧啶鹼基之間發生交聯，形成嘧啶二聚體。這稱為直接 DNA 損傷。
UV-A 光主要產生自由基。自由基造成的損傷稱為間接 DNA 損傷。
電離輻射，如放射性衰變或宇宙射線產生的輻射，會導致 DNA 鏈斷裂。低水平的電離輻射可能會誘導不可修復的 DNA 損傷（導致新生物形成所需的複製和轉錄錯誤，或可能觸發病毒相互作用），從而導致過早衰老和癌症。
高溫下的熱擾動會增加脫嘌呤（DNA 骨架上的嘌呤鹼基丟失）和單鏈斷裂的速率。例如，在 40-80 °C 的溫泉中生長的嗜熱細菌中觀察到水解脫嘌呤。在這些物種中，脫嘌呤的速率（每個基因組每個世代 300 個嘌呤殘基）過高，無法透過正常的修復機制進行修復，因此無法排除適應性反應的可能性。
工業化學品在 DNA 損傷中也起著非常重要的作用，例如氯乙烯和過氧化氫，以及環境化學品，例如煙霧、煤煙和焦油中發現的多環烴，會產生大量不同的 DNA 加合物 - 乙烯鹼基、氧化鹼基、烷基化磷酸三酯和 DNA 交聯，僅舉幾例。UV 損傷、烷基化/甲基化、X 射線損傷和氧化損傷是誘導損傷的例子。自發性損傷可能包括鹼基丟失、脫氨基、糖環扭結和互變異構體位移。
損傷來源
[edit | edit source]DNA 損傷可以細分為兩種主要型別
內源性損傷，例如由正常代謝副產物產生的活性氧物種的攻擊，尤其是氧化脫氨基過程，這也包括由於複製錯誤造成的鹼基錯配
外源性損傷，由外部因素引起，例如
來自太陽的紫外線 [UV 200-300 奈米] 輻射
其他輻射頻率，包括 X 射線和伽馬射線
水解或熱擾動
某些植物毒素
人造的誘變化學物質，尤其是作為 DNA 插入劑的芳香族化合物
癌症化療和放射療法
病毒
突變型別
[edit | edit source]當修復 DNA 損傷時，有時會導致簡單的單鹼基對突變，這裡有描述。（在修復過程中也會出現缺失和易位）
轉換 在分子生物學中，轉換是指將嘌呤核苷酸變為另一個嘌呤（A ↔ G）或將嘧啶核苷酸變為另一個嘧啶（C ↔ T）的點突變。大約三分之二的單核苷酸多型性 (SNP) 是轉換。轉換可能是由氧化脫氨基和互變異構體引起的。雖然可能的顛換有兩種，但轉換在基因組中出現的頻率更高，這可能是由於產生它們的分子機制所致。由於自發性脫氨基，5-甲基胞嘧啶比未甲基化的胞嘧啶更容易發生轉換。這種機制很重要，因為它決定了 CpG 島的稀有性。
顛換 在分子生物學中，顛換是指將嘌呤替換為嘧啶或反之。它只能透過自發的回覆突變來逆轉。由於這種型別的突變會顯著改變化學結構，因此這種變化的後果往往比轉換更嚴重且更不常見。顛換可能是由電離輻射和烷基化劑引起的。
DNA 修復和疾病
[edit | edit source]NER 機制的缺陷會導致許多遺傳疾病，包括
色素性幹皮病：對陽光/紫外線的超敏反應，導致皮膚癌發病率增加和過早衰老
科凱恩綜合徵：對紫外線和化學物質的超敏反應
毛髮硫化營養不良：皮膚敏感，頭髮和指甲易碎。後兩種疾病通常伴有智力障礙，表明發育中的神經元更容易受到損害。
其他 DNA 修復疾病包括
維爾納綜合徵：過早衰老和生長遲緩
布魯姆綜合徵：對陽光的超敏反應，惡性腫瘤（尤其是白血病）發病率高。
共濟失調毛細血管擴張症：對電離輻射和某些化學物質的敏感性
以上所有疾病通常被稱為“節段性早衰”（“加速衰老疾病”），因為它們的患者在異常年輕的時候就會顯得衰老，並且患有與衰老相關的疾病，而不會表現出所有衰老的症狀。
與 DNA 修復功能下降相關的其他疾病包括範科尼貧血、遺傳性乳腺癌和遺傳性結腸癌。
人類染色體和染色體畸變
[edit | edit source]染色體可以分為兩種型別——常染色體和性染色體。某些遺傳性狀與你的性別有關，並透過性染色體遺傳。常染色體包含其餘的遺傳遺傳資訊。它們在細胞分裂過程中以相同的方式起作用。人類細胞有 23 對大的線性核染色體（22 對常染色體和一對性染色體），每細胞總共 46 條。除了這些之外，人類細胞還有數百個線粒體基因組的複製。人類基因組測序為每條染色體提供了大量的資訊。以下是根據脊椎動物基因組註釋 (VEGA) 資料庫中的桑格研究所人類基因組資訊，彙編了染色體統計資訊的表格。基因數量是一個估計值，因為它部分基於基因預測。總染色體長度也是一個估計值，基於未測序異染色質區域的估計大小。
| 染色體 | 基因 | 總鹼基 | 測序鹼基[28] |
|---|---|---|---|
| 1 | 4,220 | 247,199,719 | 224,999,719 |
| 2 | 1,491 | 242,751,149 | 237,712,649 |
| 3 | 1,550 | 199,446,827 | 194,704,827 |
| 4 | 446 | 191,263,063 | 187,297,063 |
| 5 | 609 | 180,837,866 | 177,702,766 |
| 6 | 2,281 | 170,896,993 | 167,273,993 |
| 7 | 2,135 | 158,821,424 | 154,952,424 |
| 8 | 1,106 | 146,274,826 | 142,612,826 |
| 9 | 1,920 | 140,442,298 | 120,312,298 |
| 10 | 1,793 | 135,374,737 | 131,624,737 |
| 11 | 379 | 134,452,384 | 131,130,853 |
| 12 | 1,430 | 132,289,534 | 130,303,534 |
| 13 | 924 | 114,127,980 | 95,559,980 |
| 14 | 1,347 | 106,360,585 | 88,290,585 |
| 15 | 921 | 100,338,915 | 81,341,915 |
| 16 | 909 | 88,822,254 | 78,884,754 |
| 17 | 1,672 | 78,654,742 | 77,800,220 |
| 18 | 519 | 76,117,153 | 74,656,155 |
| 19 | 1,555 | 63,806,651 | 55,785,651 |
| 20 | 1,008 | 62,435,965 | 59,505,254 |
| 21 | 578 | 46,944,323 | 34,171,998 |
| 22 | 1,092 | 49,528,953 | 34,893,953 |
| X（性染色體） | 1,846 | 154,913,754 | 151,058,754 |
| Y（性染色體） | 454 | 57,741,652 | 25,121,652 |
| 總計 | 32,185 | 3,079,843,747 | 2,857,698,560 |
染色體畸變是細胞正常染色體含量中的破壞，是人類遺傳疾病（如唐氏綜合徵）的主要原因。一些染色體異常不會導致攜帶者患病，例如易位或染色體倒位，儘管它們可能會導致生出患有染色體疾病的孩子的機率更高。染色體或染色體組的異常數量，非整倍體，可能是致命的或導致遺傳疾病。為可能攜帶染色體重排的家庭提供遺傳諮詢。
染色體中 DNA 的增加或減少會導致各種遺傳疾病。人類例子包括
- 貓叫綜合徵，是由第 5 號染色體短臂部分缺失引起的。“貓叫綜合徵”在法語中意為“貓的哭聲”，這種疾病因此得名，因為患病嬰兒會發出類似貓叫的尖銳哭聲。受影響的個體眼睛間距較寬，頭部和下巴較小，中度至重度精神健康問題，而且個子非常矮。
- 唐氏綜合徵通常是由第 21 號染色體多了一份複製（21 三體）引起的。特徵包括肌肉張力下降、體格矮胖、頭骨不對稱、斜眼和輕度至中度智力障礙。[29]
- 愛德華茲綜合徵，是第二常見的 trisomy；唐氏綜合徵是最常見的。它是 18 號染色體的 trisomy。症狀包括運動遲緩、智力障礙以及許多導致嚴重健康問題的先天性畸形。90% 的患者在嬰兒期死亡；然而，那些活過第一年生日的人通常此後身體非常健康。他們有一個典型的緊握的拳頭和疊在一起的指頭。
- Idic15，是 15 號染色體上等臂染色體 15 的縮寫；由於各種研究，也被稱為以下名稱，但它們都表示相同的含義；IDIC(15)、倒位重複 15、額外標記、Inv dup 15、部分四體 15
- 雅各布森綜合徵，也稱為 11q 末端缺失症。[30] 這是一個非常罕見的疾病。受影響的人智力正常或輕度智力障礙，表達語言能力較差。大多數人患有稱為巴黎-特魯索綜合徵的出血性疾病。
- 克萊恩費爾特綜合徵 (XXY)。患有克萊恩費爾特綜合徵的男性通常不育，而且往往手臂和腿更長，比同齡人更高。患有這種綜合徵的男孩往往害羞而安靜，患有語言發育遲緩和閱讀障礙的比例較高。在青春期，如果沒有睪酮治療，他們中的一些人可能會出現乳房發育。
- 帕陶綜合徵，也稱為 D 綜合徵或 13 三體。症狀與 18 三體有些相似，但沒有典型的雙手形狀。
- 小型超數標記染色體。這意味著存在額外的異常染色體。特徵取決於額外遺傳物質的來源。貓眼綜合徵和15 號等臂染色體綜合徵（或 Idic15）都是由超數標記染色體引起的，帕利斯特-基利安綜合徵也是如此。
- 三 X 綜合徵 (XXX)。XXX 女孩子往往身材高挑，而且瘦。她們患有閱讀障礙的比例更高。
- 特納氏綜合徵（X 而不是 XX 或 XY）。在特納氏綜合徵中，女性性徵存在，但發育不良。特納氏綜合徵患者通常身材矮小，髮際線低，眼睛和骨骼發育異常，胸部呈“凹陷”狀。
- XYY 綜合徵。XYY 男孩通常比他們的兄弟姐妹更高。與 XXY 男孩和 XXX 女孩一樣，他們也更容易出現學習困難。
- 狼-赫施霍恩綜合徵，是由第 4 號染色體短臂部分缺失引起的。其特徵是嚴重的生長遲緩和嚴重至極度嚴重的精神健康問題。
染色體突變會導致整個染色體（多個基因）或染色體數量發生改變。
- 缺失 – 染色體部分丟失
- 重複 – 染色體部分的額外複製
- 倒位 – 反轉染色體部分的方向
- 易位 – 染色體的一部分斷裂並連線到另一條染色體上
大多數突變是中性的 – 幾乎沒有或根本沒有影響。染色體畸變是染色體結構的改變。它在進化中起著重要作用。在橡樹嶺國家實驗室可以找到所有人類染色體和在正確位置註釋的疾病的詳細圖形顯示。[31]
DNA 重組
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重組是一個過程，在這個過程中，核酸分子（通常是 DNA，但也可能是 RNA）被斷裂，然後與另一個分子連線（或者其中遺傳資訊在兩個這樣的分子之間交換）。重組通常發生在類似的 DNA 分子之間，例如在同源重組中。重組是細菌和真核生物中常見的 DNA 修復方法。在真核生物中，重組也發生在減數分裂中，它促進資訊交換和/或染色體交叉。交叉過程導致後代具有不同於其父母的基因組合，並且偶爾會產生新的嵌合等位基因。在具有適應性免疫系統的生物體中，一種稱為 V(D)J 重組的遺傳重組型別有助於免疫細胞快速多樣化以識別和適應新的病原體。遺傳重組帶來的基因重排具有長期優勢，因為它是一個主要的遺傳變異引擎，並且還允許有性繁殖的生物體避免穆勒氏棘輪，在這種棘輪中，無性繁殖種群的基因組以不可逆轉的方式積累有害突變。在基因工程中，重組也可以指不同 DNA 片段的 人工和故意重組，這些片段通常來自不同的生物體，從而創造出所謂的重組 DNA。這種基因重組應用的一個主要例子是基因靶向，它可用於新增、刪除或以其他方式改變生物體的基因。這項技術對於生物醫學研究人員來說很重要，因為它使他們能夠研究特定基因的影響。基於基因重組的技術也應用於蛋白質工程，以開發具有生物學意義的新蛋白質。[32]
染色體交叉 在真核生物中，是同源染色體之間遺傳物質的交換。它可能發生在遺傳重組的最後階段之一，該階段發生在減數分裂 I 期的前期（偶線期）。減數分裂期間同源染色體的配對（聯會）在聯會複合體形成之前開始，並且直到前期 I 結束附近才完成。交叉通常發生在匹配染色體上匹配區域斷裂然後重新連線到另一條染色體時。交叉在理論上由托馬斯·亨特·摩根描述。他依賴於比利時魯汶大學的弗朗斯·阿爾方斯·揚森斯教授的發現，後者在 1909 年描述了這種現象，並將其稱為“交叉型”。交叉與染色體交叉相關聯，如果不是相同的話。摩根立即意識到揚森斯對交叉的細胞學解釋對於他關於果蠅遺傳的研究的實驗結果非常重要。交叉的物質基礎首先由哈里特·克里頓和芭芭拉·麥克林托克在 1931 年證明。
減數分裂重組 可以由 Spo11 蛋白引入 DNA 的雙鏈斷裂啟動。此外，減數分裂重組可以作為對自發雙鏈斷裂的反應而誘導，這些斷裂可能是由來自先前合成輪次的活性氧物種引起的。[33]然後，一個或多個核酸外切酶消化由雙鏈斷裂產生的 5' 末端，以產生 3' 單鏈 DNA 尾巴（見本節最下面的圖）。減數分裂特異性重組酶 Dmc1 和通用重組酶 Rad51 包被單鏈 DNA 以形成核蛋白絲。重組酶催化來自斷裂一端的單鏈 DNA 侵入對側染色單體。接下來，侵入 DNA 的 3' 端引發 DNA 合成，導致互補鏈的置換。
交叉重組體 是透過一個過程產生的，在這個過程中，置換的互補鏈隨後與從初始雙鏈斷裂的另一端產生的單鏈 DNA 退火（見圖上的 DHJ 途徑）。由此產生的結構是跨鏈交換，也稱為霍利迪連線。即將進行交叉的兩個染色單體之間的接觸被稱為交叉。霍利迪連線是一個四面體結構，可以透過其他重組酶“拉動”，使其沿著四鏈結構移動（見圖中的雙霍利迪連線或 DHJ）。
基因轉換 可能是由於雙鏈斷裂的修復造成的。基因轉換涉及遺傳序列資訊從“供體”序列到高度同源的“受體”染色體的單向轉移。基因轉換通常透過合成依賴性鏈退火 (SDSA) 發生 [34][35][36] 本節最下面的圖中說明了這一點。在這個 SDSA DNA 修復模型中，來自雙鏈斷裂末端的遊離 DNA 鏈侵入同源染色體，透過複製沿著“供體”染色體 DNA 互補鏈上的序列延伸自身。然後，延伸的鏈從供體染色體中退回，並在雙鏈斷裂另一端的區域（需要大約 25 到 50 個鹼基對的同源性）與受體染色體上的互補序列配對。[34] 這使得透過複製完成雙鏈斷裂的修復成為可能，以從延伸鏈上的資訊（從供體染色體複製而來）完成受體染色體上的雙鏈結構。哺乳動物中基因轉換軌跡的通常長度在 200 到 1,000 個鹼基對之間。[37]
在減數分裂過程中，基因轉換最常與外部區域的非交叉相關聯（例如，圖中所示的 SDSA 途徑）。不太頻繁地，減數分裂過程中的基因轉換與外部區域的交叉相關聯，這些事件通常由 DHJ 途徑產生。在許多生物體中，減數分裂過程中沒有交叉的基因轉換比交叉重組更頻繁地發生，通常以大約 2:1 的比例。[38] 在有絲分裂過程中，基因轉換幾乎是同源重組修復雙鏈斷裂的唯一模式。[36]
基因轉換的研究有助於我們理解減數分裂重組的適應性功能。由於在大多數研究物種中，基因轉換更頻繁地是非交叉型別的，[38] 專門關注產生新的遺傳變異的適應性益處的減數分裂重組的適應性功能的解釋似乎不足以解釋減數分裂過程中大多數重組事件。然而，大多數減數分裂重組事件可以透過這樣的提議來解釋，即它們是修復將傳遞給配子的 DNA 中損傷的一種適應性。[39][40]
遺傳重組是由稱為重組酶的酶催化的。RecA 是在埃希氏大腸桿菌中發現的主要重組酶，它負責修復 DNA 雙鏈斷裂 (DSB)。在酵母和其他真核生物中，修復 DSB 需要兩種重組酶。RAD51 蛋白參與有絲分裂和減數分裂重組，而 DMC1 蛋白專門用於減數分裂重組。
非同源重組 重組修復很少發生在沒有或幾乎沒有序列同源性的 DNA 序列之間。這被稱為非同源重組。
- ↑ DNA 複製
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