在基因组医学领域，节段性DNA拷贝数增益一直是科学家们关注的焦点。这些遗传变异不仅是人类遗传多样性的重要来源，更是多种疾病特别是癌症发生发展的关键驱动因素。然而，这些复杂的基因组重排究竟是如何产生的？其背后的分子机制至今仍是未解之谜。
传统的理论模型主要将DNA重复序列的产生归因于两类机制：一类是通过子细胞间复制DNA的不对称分布，如经典的断裂-融合-桥(BFB)循环；另一类则是通过额外的DNA合成，如微同源介导的断裂诱导复制(MMBIR)。然而，人类疾病基因组中观察到的许多复杂重排模式都无法用这些现有模型完美解释。特别是染色体碎裂现象——这种在单次灾难性事件中产生的大量基因组重排，其复杂的插入模式和多重拷贝增益特征一直让研究人员困惑不已。
近日发表在《Nature Genetics》上的研究为我们带来了突破性的答案。由Cheng-Zhong Zhang、Carlos Mendez-Dorantes、Kathleen H. Burns和David Pellman组成的研究团队发现了一种名为"断裂-复制/融合"的新机制，该机制能够系统解释节段性DNA拷贝数增益的形成过程。
研究团队运用了多种前沿技术方法，包括全基因组测序分析（利用PCAWG计划的2,588个癌症基因组数据）、实验性染色体碎裂模型（通过CRISPR-Cas9诱导的染色体桥断裂系统）、L1逆转录转座子系统以及单细胞克隆扩增技术。这些方法的结合使研究人员能够在高分辨率下解析复杂重排的结构特征。
断裂-复制/融合机制的基本原理
研究人员首先阐明了断裂-复制/融合过程的核心概念：当复制体通过游离的双链DNA末端时，会产生两个不同的DNA末端，这些复制的"姐妹"DNA末端的融合能够直接产生DNA重复。与传统的断裂-融合-复制序列不同，断裂-复制-融合序列产生的关键特征是"相邻平行断点"——即源自单个祖先DNA末端复制的两个或多个重排断点。
DNA末端复制的实验证据
通过利用L1逆转录转座子系统，研究团队获得了DNA末端复制产生相邻平行断点的直接证据。在诱导L1表达后产生的克隆中，他们发现了多个实例显示嵌套缺失模式，每个缺失都包含一个截短的L1插入，这表明存在两对相邻平行断点。这些断点处的序列特征与L1 ORF2p核酸内切酶活性直接相关，断点间距离与DNA断裂切除的长度一致，为断裂-复制-融合机制提供了有力支持。
人类疾病基因组中的DNA末端复制足迹
对PCAWG研究中592,176个断点的分析显示，相邻平行断点是癌症基因组的普遍特征。研究人员从2,588个癌症样本中鉴定出20,795对相邻平行断点，涉及35,422个重排连接点（占总连接点的12%）。统计分析表明，大多数相邻平行断点不太可能是独立产生的，进一步支持了它们起源于姐妹DNA末端的观点。
断裂-复制/融合产生的DNA重复和扩增
当姐妹DNA末端在单个重排染色体中连接在一起时，就会产生DNA重复。研究人员在人类癌症和先天性疾病中都发现了由相邻平行断点侧翼的拷贝数增益实例。特别重要的是，断裂-复制/融合机制能够解释高水平扩增的独特模式，如ERBB2癌基因在HCC1954乳腺癌细胞系中的扩增。
研究显示，断裂-复制/融合可以从单个无着丝粒DNA片段产生二聚体DNA环或线性倒位重复阵列，解释了长期以来在扩增DNA中观察到的倒位重复现象，这些现象很难用多代BFB循环来解释。
染色体碎裂后的节段性拷贝数增益
通过分析染色体碎裂的实验模型，研究人员详细描述了断裂-复制/融合在染色体碎裂后的拷贝数和重排结果。在单个细胞分裂后，桥断裂产生的子代细胞经常出现没有相应丢失的亚克隆拷贝数增益。通过联合分析节段性DNA拷贝数和重排连接点，研究人员确定了克隆a中亚克隆中几乎所有重复片段的结搆和连接模式。
DNA过复制和短插入的产生
除了通过正常半保留复制产生的几乎相同的重复外，研究还发现了反映两种DNA过复制机制的罕见实例。复制绕过机制解释了重叠重复的两个实例；而当先前复制的片段与具有未启动复制起点的未复制片段融合时，会发生导致先前复制片段重新复制的第二种机制。
更重要的是，研究团队在克隆a中的大重复之间的连接处鉴定出126个短插入（中位大小为184bp）。三个证据表明这些插入和插入重排连接点都是由染色体断裂-复制/融合产生的：插入在起源位点显示DNA碎裂的特征；插入在重排DNA中的连接模式表明是DNA末端连接修复；插入在目标连接处的链取向表明它们被整合到两条DNA链中，不可能来自保守的复制过程。
单个断裂-复制/融合循环产生的基因组复杂性
基于断点紧密接近通常大致同时产生的普遍假设，研究人员推断克隆a中的所有重排特征都是在单个断裂-复制/融合循环中产生的。除了罕见的过复制实例外，所有祖先片段（包括短插入）都可以追溯到不重叠的单链DNA片段，表明重排的chr4最有可能来自单个祖先染色单体在一个断裂-复制/融合循环中的产物。
这项研究描述的断裂-复制/融合循环是一种新的重排过程，能够在DNA断裂或染色体碎裂后直接产生DNA重复和扩增。该机制修正了基因组进化中每个重排断点源自唯一DNA末端的普遍假设，扩展了从DNA断裂衍生的基因组结果库，显著扩展了染色体碎裂模型，并为高水平DNA扩增提出了一种新的简化机制。
断裂-复制/融合机制的发现对癌症基因组学观察结果的解释具有多个重要意义：它能够解释许多先前描述但无法解释的复杂重排模式；解释了癌症基因组中重复序列的三峰大小分布；解释了重复序列之间部分重叠的缺乏；表明许多癌症基因组中的折回连接可能来源于断裂-复制/融合而非BFB循环。
总之，这项研究为我们理解基因组重排和扩增提供了全新的概念框架，对癌症生物学、遗传疾病研究和基因组进化领域都将产生深远影响。断裂-复制/融合机制的发现不仅解决了长期存在的科学问题，更为未来的研究和临床应用开辟了新的方向。
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