近日,美国科学院院刊PNAS在线发表了我院海陆生态环境与资源团队师生,联合美国杜克大学学者在紫外线(UV)诱导生物细胞基因组变异机制研究中的成果。该研究揭示了UV对非分裂细胞基因组突变与重组的作用规律,为理解环境理化因子驱动生物基因组进化及相关疾病发生机制提供了理论依据。

紫外线作为地球生物普遍面临的物理胁迫因子,不仅是自然环境中基因组变异的重要诱因,也因具备高效杀菌作用被广泛应用于工农医领域的消毒场景。然而,其如何精准诱导细胞基因组变异、尤其是在非分裂细胞中的作用机制,还不清楚。研究团队设计了实验新体系:将酿酒酵母单倍体细胞同步阻滞于G1期,随后对其进行UV照射;处理完成后,立即将该细胞与未照射的相反交配型单倍体细胞杂交,形成二倍体细胞。通过特色遗传筛选技术,精准捕获二倍体细胞第一次分裂产生的成对子细胞,并结合高通量基因组测序技术开展分析。
实验发现UV 诱导的突变发生于DNA复制前,且呈现“双链共变”特征。测序分析显示,成对子细胞在染色体相同位置高频出现完全一致的碱基替换突变。这一现象与传统认知相悖——若突变发生于S期复制过程,应只有一个子细胞携带突变 ,而非成对出现相同变异。研究提出,在G1期UV照射后,母细胞中受损伤的染色体DNA互补双链已发生同步改变,形成 “双链突变”,因此在后续分裂中直接传递给两个子细胞。这种“双链突变”极有可能是G1期细胞内DNA单链临时形成,与跨损伤DNA合成途径协同作用的结果。
此外,UV 通过顺式效应(cis-effect)直接诱导基因组变异,反式效应(trans-effect)可忽略不计。研究发现,UV 诱导的突变与重组事件几乎完全局限于受照射的染色体,未受照射的同源染色体上未检测到变异。这表明UV并非通过产生活性氧等扩散性分子,以反式作用间接损伤未照射染色体;而是通过顺式作用直接作用于受照射染色体,引发局部DNA突变与重组。该结论纠正了此前对UV诱导基因组变异“非特异性扩散”的推测,明确了其作用的精准性与局限性。
(论文链接:https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2518046122)