发育过程中染色体的程序化愈合

发育过程中染色体的程序化愈合真核生物中，染色体的愈合是一个程序化过程。实验观察发现，寄生线虫在早期胚胎发育的固定阶段，染色体会经历一个广泛的断裂的过程。如在巨头蛔虫中，单对染色体断裂为40个以上的片段。这些片段在随后的体细胞分裂过程被完整地传递，表明了这些片段是稳定的，断裂的末端添加了端粒发生了愈合。大多数真核生物体一般不经历此种广泛性的染色体断裂，但对于在基因重组等过程造成的染色体偶然性断裂也有相应的调控机制。麦克林托克在20世纪30年代观察到玉米细胞中断裂的染色体末端失去了“缝合“的倾向，预示了断裂末端已经发生了愈合。机体内，染色体断裂的末端可重新连接缝合也可发生末端的愈合，发生的方向取决于细胞的类型和末端出现的发育时期。真核生物的端粒从头合成的分子特征纤毛原虫纤毛类原虫拥有两个不同的核型，胚的微核和体细胞的巨核。巨核发育阶段，微核染色体断裂成多个线性分子，端粒被直接添加到断开的染色体末端。染色体愈合现象在此类生物中普遍存在，也因此纤毛原虫被用于研究发育调控的端粒从头合成的分子机制。巨核发育期间发生的其他类型的重排是去除特定的微核序列。有些消除过程是染色体原先分离的区域相连，消除这些区域之间的DNA序列段（IES）。在位点特异性发育调控的染色体片段化过程中通常也有一段微核DNA被去除，侧翼序列并不欧联一起，而是端粒DNA从头添加到新断开的DNA末端下毛亚目类纤毛虫厚游仆虫在巨核发育期间，全长的染色体前体首先被复制，然后出现于内部序列有关的多数缺失-连接过程。然后染色体分裂成大约104个不同的短的线性DNA分子，每一段大约2KB，各携带一个基因。这些分子在两端都获得端粒G4T4重复序列。最后每一个短的线性巨核染色体进行复制，平均每个巨核有103个拷贝染色体断裂和端粒从头添加的顺式作用信号下毛亚目中，顺势作用信号标定了巨核发育期间染色体断裂和端粒添加的位点。大多数小腔游仆虫和厚游仆虫巨核染色体端粒，第一个端粒G4T4重复位于TTCAA序列下游17BP处。以TTCAA为核心的共有序列是染色体断裂和端粒从头添加的顺势作用信号端粒添加的备选位点伪尖毛虫中某些巨核染色体，端粒形成位点表现出不同的、大范围的变化。新种尖毛虫也有类似的围观不均一性。微核前体序列上端粒添加位点则是重复性或精确性的。端粒从头添加的酶学嗜热四膜虫，端粒酶将所有的端粒重复核苷酸序列添加到巨核DNA分子上。下毛亚目也是如此。高度调控的端粒从头添加过程伴随着相应的端粒酶组分的调控。巨核发育期间，在端粒添加发生之前，细胞中端粒酶RNA的稳定水平缓慢上升，以至于在端粒添加期间，端粒酶RNA的稳定水平最高。限速的转录或端粒酶RNP装配，产生足够多的酶用于发育期间除通常的富含AT的位点，添加并没明显的特殊性。巨核发育期间，从头添加第一个端粒重复序列的核苷酸没有特殊性，端粒的添加对引物3‘末端和RNA模板间的杂交没有明显依赖性。新生成端粒的长度和序列差异厚游仆虫的成熟巨核中，大多数端粒DNA维持在一个很短的、均已全长的状态，包括内部28bp的双螺旋（G4T4·C4A4）重复序列和富含G的链的14个核苷酸末端突起，形成一个固定长度的3‘端悬突。巨核发育期间，大多数从头合成的端粒都是过长的84bp双链体，带有不均一的、9~14核苷酸的Ｇ4T4链3’末端悬突。成熟巨核染色体中的端粒长，而且在全长以及富含G链的悬突长度上都是不均一的，但两者的互补C4A4重复序列链末端是严格确定的，是一个5’末端C4四膜虫的G富含链有端粒酶添加，意味着端粒酶被吸引到新断裂DNA的3’末端，添加序列长度变化很小的重复序列（10~12个重复）。C富含链可能是有引发酶—聚合酶以G4T4重复片段链做模板进行复制的结果。引发酶在G富含链中的定位以及引发酶所催化的从RNA到DNAG4T4重复序列的转换位点，可能取决于结合蛋白见的特异性相互作用、引发酶的序列特异性或者是两种因素综合作用的结果。厚游仆虫中介导此功能的蛋白质是一个51KDa的厚游仆虫端粒结合蛋白，它可与单链G4T4DNA重复序列特异性结合。最后一个新合成的端粒的亚类含4个G4T4重复序列，标明这是一个用来包装成端粒-蛋白质复合物的单位长度厚游仆虫的超长端粒持续15~20小时，然后被修剪成更短的、成熟巨核端粒所特有的均一长度。修剪由一种剪切核酸酶直接作用全鞭毛纤毛虫端粒从头添加的酶学嗜热线毛虫微核染色体有相当数量的内部G4T2重复序列片段，微核端粒含有末端G4T2重复序列，但所有这些在巨核发育期间都被消除，新的端粒DNA是从头添加的嗜热四膜虫在基因重组中断裂的DNA末端添加的第一个端粒重复序列几乎总是喊一个全场的G4片段，端粒酶负责将第一个端粒重复序列从头添加到非端粒末端，从而使末端愈合四膜虫端粒从头形成期间端粒酶取法持续合成能力在体内，端粒酶发生作用都是非持续性的，端粒酶于印务结合后也平均仅合成一个端粒重复序列，随即接力，以便让另一个带有不同RNA末班的端粒酶分子添加下一个端粒重复序列。四魔从体内的端粒于端粒结合蛋白形成复合物，这些的蛋白可能在每一轮模板复制后有效的于端粒酶竞争新合成的端粒末端。端粒酶所合成的献身的G富含链通过体内后碎脸的合成二复制。聚合酶-引发酶也因此竞争该G富含链，病减少端粒酶的延伸反应染色体断裂的顺式作用信号嗜热四膜虫染色体断裂和端粒从头添加都是在一个15bp的非常保守的序列知道下完成，序列为AAAGAGGTTGGTTTA，称染色体断裂序列Cbs。Cbs两侧也是富含AT序列，但Cbs序列总是位于从巨核中去除的DNA中，即位于将要成为巨核染色体的区域之间。在嗜热四膜虫和其他四膜虫种类中，通过对保留的巨核DNA进行的序列比较，除了常见的富含ＡＴ现象外，没有发现保守序列或推测的二级结构。染色体断裂／端粒添加的顺式作用信息位于微核特异性侧翼序列中，可能仅有Cbs构成当单个Cbs被插入到一个环形rDNA构件的多位点接头中时，染色体在紧靠插入Cbs的部位发生断裂，两个断裂末端都通过端粒的从头添加愈合，产生一个线性的rDNA微型染色体。限制酶在含有Cbs的多接头处切断转化的环形rDNA构件，去除其中的CBs，是指呈线状。这种情况下，限制没切割断裂末端上不发生端粒的从头合成。Cbs参与奖端粒酶吸引到DNA新断裂末端过程嗜热四膜虫中紧靠端粒添加位点，有保守型很强的Cbs存在，同时端粒从头添加位点相对准确。草履虫没有发现端粒添加区带所特有的顺式作用信号。草履虫中可供选择的端粒添加区域的一个显著特点是存在被选择性加工的内部消除序列IES。推测出加工过程的顺序：①IES缺失和连接；②端粒添加。在厚游仆虫，IES的切除先于端粒添加十个小时发生，几乎与巨核发育同步蛔科线虫早期胚胎的第3个和第5次细胞分裂之间，约有25%的种系DNA被从体细胞中去除。此消除过程暴扣染色体的末端异染色质区域的丢失以及在细胞变短的染色体末端发生的端粒从头添加。人蛔虫中鉴定出一个前体染色体的特异区域成染色体断裂区域CBR，此区域内的几个位置可以发生端粒重复序列T2AG2C的从头添加。端粒从头添加于其他发育调控的基因组重排间的协调草履虫中端粒从头添加和某些IES的去除之间的相反关系标明两个过程具有功能性的联系。游仆虫的大部分巨核端粒中，TTCAA序列位于巨核端粒邻近序列，正好与第一个端粒重复序列添加位点相距17bp。微核区域则产生3个不同的端粒末端区，它在微核前体侧翼中于巨核端粒添加位点的距离是11bp。但TTCAA都是较长的共有序列中的高度保守核心序列。此共有序列也见于Tec转座子家族的两个端点附近，于两端的距离恰为17bp。标明Tec切割（引起缺失-连接）和来自微核基因组的巨核DNA切割（导致端粒的从头合成）这两个过程，一对交错的DNA切割位点受到相同因子指导，该因子对TTCAA的共有序列是特异性的尽管IES缺乏TTCAA的共有序列，但Tec和IES两者被切除后，保留的巨核侧翼DNA序列可重新连接。在巨核发育期间，在Tec切除完成之后，厚游仆虫微核基因组中有几千个IES被去除。IES于Tec原件的两端都有相同的末端重复性TA序列。二者的切除导致环形切割元件的形成，在环化元件的末端之间有相同长度的杂合双链DNA。在切割过程，通过交错切割，从侧翼巨核序列中产生的。环化的被切割的IES和Tec元件最终被去除在伪尖毛虫的微核基因组中有一个称为TBE1的元件，它两端各有一段大于70bp的反向重复序列，以17bp的端粒G4T4重复序列收尾，其方向有利于端粒的功能。TBE1是一个转座子，微核基因组中每一TBE1的两侧有一对正向的AT双核甘酸重复序列发育过程中调控的染色体程序化断裂-愈合很多真核生物中，通过端粒添加时偶然断裂的染色体愈合的能力也受到发育的调控。Tec样元件和IES两者都是自私基因。IES是已经丢失了大多数顺式作用信息的Tec样元件的简并形式。在转录不活跃的微核基因组中，Tec元件似乎已经通过正常的转座而增殖。Tec样元件侧翼的巨核DNA两边不能连接，将导致染色体再次断裂。因此哪些不能和相邻DNA连接的位点发生的结果是端粒添加。巨核端粒添加位点上，含TTCAA的共有序列是高度保守的。这种保守型表明这些位点上的染色体断裂/端粒添加并不是因为丢失了所有的顺式作用信号。Tec-IES切除机制将这些位点切除后，DNA不能连接的原因可能是巨核发育阶段后期缺乏必需的反式作用连接因子。因为发育中的厚游仆虫，聚合内染色体断裂和随之发生的端粒添加过程是在Tec和IES切除后数小时才发生的巨核或早期体细胞发育期间，基因组加工复合物开始在体细胞核的顺势作用DNA信号上进行装配。游仆虫中，此信号包括含有TTCAA核心的共有序列。其结果是依赖于端粒添加因子或DNA连接因子对此复合物的竞争，即在某些区域，IES切除和端粒添加两者之间没什么相关性四膜虫中，顺式作用的Cbs信号可能在导致染色体断裂的复合物的起始过程具有一种类似的作用，但结果总是端粒添加。四膜虫体内，端粒重复序列被直接添加到非端粒序列上。这个非端粒序列在体外不是端粒酶的良好引物，因此认为Cbs结合因子是附加因子之一，它们使端粒酶能利用纯化酶所不能利用的引物序列。四膜虫中DNA切割-连接似乎被不同的顺式作用信号指导，因此这种加工过程可能受到包括一系列因子在内的复合物的介导