染色体精确匹配和装配定律

在生命科学领域有三个基本的遗传学定律，即孟德尔的基因分离定律和基因自由组合定律，以及托马斯·亨特·摩尔根的基因连锁和互换定律。此外，在20世纪10至20年代，托马斯·亨特·摩尔根提出了染色体遗传理论。英国剑桥大学的两位遗传学家威廉·巴特森和雷金纳德·贝内特对植物和动物进行了杂交，将染色体与个体行为特征的遗传联系起来，并使用染色体遗传理论构建了染色体图谱，详细描述了几个不同物种的特定基因在特定染色体上的位置。众所周知，上述遗传学定律和理论促进了生命科学和医学的发展，推动了多种新学科的产生，例如：行为遗传学、细胞遗传学、生态遗传学、进化遗传学、遗传药理学、人类遗传学、免疫遗传学、医学遗传学、分子遗传学、群体遗传学、数量遗传学和辐射遗传学等。

发育始于受精，是雄配子(精子)和雌配子(卵母细胞)结合产生受精卵的过程。在受精准备过程中，生殖细胞经历配子发生，包括减数分裂，以减少染色体数量和细胞分化，以产生成熟的配子。一个新个体的特征是由遗传自父亲和母亲染色体的特定基因决定的。人类的46条染色体上约有35000个基因。在体细胞中，染色体以23对同源染色体出现，形成46个二倍体；有22对匹配的常染色体和一对性染色体。如果性染色体是XX，则该个体在遗传上是雌性；如果性染色体是XY，则该个体在遗传上是雄性。每对染色体中的一条来自母配子，即卵母细胞，另一条来自父配子，即精子。因此，每个配子含有单倍体数目的23条染色体，受精过程中雌雄配子的结合恢复了二倍体数目的46条染色体。功能性染色体具有3个基本要素:着丝粒、一对端粒和复制起点。着丝粒是纺锤体微管的附着点，纺锤体微管是细胞分裂过程中负责移动染色体的细丝。根据着丝粒位置的不同，染色体可被分成4种类型(图1): 中着丝粒染色体(人类第1, 3, 16, 19, 20号染色体)、近中着丝粒染色体(人类第2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 17, 18, X号染色体)、近端着丝粒染色体(人类第13, 14, 15, 21, 22, Y号染色体)和端着丝粒染色体(人类正常染色体中没有端着丝粒染色体，但肿瘤细胞中有)。

图1 人类正常染色体着丝粒位置示意图

基于染色体遗传理论，前人建立了细胞遗传学。利用细胞遗传学技术，科学家们发现染色体异常与多种疾病和发育异常关系密切。然而，人类对染色体异常及其在疾病和胚胎发育中的作用的认知还很有限。此外，根据染色体遗传理论，有性繁殖的物种利用单倍体将基因传递给下一代；这意味着雄性配子(精子)和雌性配子(卵母细胞)中的基因以单倍体的形式储存，并以单倍体形式遗传给下一代。在受精卵中，来自父亲的单倍体和来自母亲的单倍体结合形成二倍体，从而开始新胚胎的发育。然而，在受精卵中，来自父亲和母亲的单倍体是如何准确组合的？有哪些内外环境因素可以影响来自父亲和母亲的单倍体的准确组合？受精卵中父亲和母亲单倍体的精确组合涉及哪些生物分子和信号通路？等等，都是值得高度关注和深入研究的科学问题。

爱思唯尔出版社（Elsevier）发行的《Medical Hypotheses》于2023年5月20日在线发表了题为“Law of precise matching and assembly chromosomes: a hypothesis for chromosome theory of inheritance and its implications in medical genetics”的新见解论文。作者认为，在受精卵中，来自两个亲本的具有相同编号但非同源的单倍体染色体可以通过着丝粒来实现精确地结合并组装成一套完整的二倍体染色体。作者将其称为染色体精确匹配和装配定律。作者认为，该定律(图2)具有如下重要的见解:

(1)在雄性配子(精子)和雌性配子(卵母细胞)中，来自父亲或母亲的基因以单倍体的形式储存。

(2)父亲和母亲的基因以单倍体的形式传递给下一代。

(3)两亲本的单倍体能在受精卵中准确匹配和组装，是健康胚胎成功妊娠的决定性因素。

(4)在受精卵中，着丝粒可能对双亲单倍体的精确匹配和装配起着牵引和对接的作用。

(5)在受精卵中，着丝粒可能是将双亲的单倍体结合成一套完整的二倍体的结合位点。

图2 染色体精确匹配和装配定律示意图(以1号染色体为例) 

染色体精确匹配和装配定律得到了前人研究结果的支持，其价值体现在:

(1)该定律为染色体遗传理论提供了科学、精炼、准确的解释和创新性的改进；

(2)该定律表明，染色体的精确匹配和组装对所有物种都是必不可少的，因为它对物种的生存、繁殖、遗传和进化至关重要，该定律得到了对核酸分子结构的研究结果以及对脱氧核糖核酸结构的遗传意义的研究结果的支持；

(3)该定律可为细胞遗传学、人类遗传学、医学胚胎学、医学遗传学、分子遗传学、群体遗传学、生殖生物学和生殖医学等学科，提供新的研究方向；

(4)该定律可为理解和揭示染色体异常、出生缺陷、自然流产和恶性肿瘤的分子病理机制提供理论指导；

(5)该定律将有力地推动在遗传学、生殖和发育以及医学领域中，开展更加广泛而深入的研究工作。

为进一步验证染色体精确匹配和组装定律，还需要解决以下问题；比如：哪些内外环境因素可以影响染色体的精确匹配和组装？染色体的精确匹配和组装涉及哪些生物分子和信号通路？不同编号的单倍体染色体是如何通过着丝粒准确组装成一套完整的二倍体染色体的？不同编号单倍体染色体的着丝粒之间是否存在差异？着丝粒的差异在精确组装一套完整的二倍体染色体中发挥了什么样的作用？可以建立/使用哪些生物分子标记和生物分子成像技术/设备来观察和分析染色体的精确匹配和组装？ 

总之，现有证据支持染色体精确匹配和装配定律。该定律填补了遗传学定律的缺口，并为遗传学、生殖和发育以及医学的研究夯实了理论基础。此外，该定律还具有下列意义:

(1)有助于阐明染色体精确匹配和装配过程和潜在的分子机制和信号通路，并有利于揭示染色体异常的分子生物学基础；

(2)有助于发现染色体异常的原因及其相关疾病；

(3)有助于解决人类的出生缺陷、自然流产和不育问题；

(4)有助于推动遗传和医学教科书的修订，有助于培养造福于所有物种(包括人类自身)的新一代遗传学和医学人才；

(5)有助于揭示物种的起源、生存、繁殖、遗传和进化。

论文的网络链接如下：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0306987723000968