在《Nature》期刊发表的这篇文章中，来自冰岛的科研团队探讨了人类重组图谱的完整性，特别是非交叉（NCO）重组的角色。现有的重组图谱主要基于交叉（CO）重组，而忽略了更常见的NCO重组，因为检测它们的难度较大。通过家庭的全基因组测序数据，研究者们估算了从父母传给子代的NCO数量，并构建了包括NCO和CO的性别特异性重组图谱。研究发现，母亲的NCO数量较少但长度较长，且卵母细胞随着母亲年龄的增长以非调控的方式积累NCO。重组，尤其是NCO，导致了1.8%的父源和11.3%的母源新生突变，可能推动了母亲年龄增长时新生突变的增加。NCO在着丝粒中比CO更为显著，可能是为了避免导致非整倍体的大规模基因组变化。研究结果表明，NCO比CO更能突出性别间减数分裂过程的差异，其中母源NCO可能反映了从婴儿期到排卵期对卵母细胞的保护。
在生物学领域，重组是指在减数分裂过程中，染色体之间的遗传物质交换。这一过程对于促进遗传多样性、保障生殖成功和减少遗传疾病至关重要。人类重组图是研究基因关联和连锁的重要工具，这些地图帮助科学家理解遗传物质如何从一代传递到下一代，并揭示与疾病相关的遗传变异。以往的研究构建了基于交叉（CO）重组的基因图谱，但由于技术限制，非交叉（NCO）重组通常被忽视，尽管NCO在数量上远超CO。NCO具有潜在的重要生物学意义，因为它们发生的频率优于CO，且对DNA序列的重排较小，这意味着其可能在保持染色体稳定性和减少大规模基因组重排（如染色体非整倍体）中扮演关键角色。具体来说，NCO是通过DNA双链断裂（DSBs）和随后的DNA修复过程形成的。这个过程通常涉及基因转换，其中一段DNA片段在合成过程中被“转换”为另一段。这种转换会影响基因变异，并可能在某些情况下引发基因突变。然而，在此之前，NCO的数量及其具体机制由于难以检测而未被全面了解。性别在减数分裂的过程中展现出明显的差异：在男性中，减数分裂几个星期内完成，而在女性中这个过程可能长达数十年，从出生起卵母细胞就处于滞留状态，只在排卵及受精过程中完成减数分裂。这一生活史特征增加了女性卵母细胞暴露于潜在环境诱变因子的时间，从而可能诱发DNA损伤的累积。因此，研究性别特异性NCO重组的规律，尤其是女性中的NCO，可能揭示在不同性别生殖细胞发育中重组的保护机制，并对理解基因组稳定性和多样性具有深远的影响。研究发现，母亲传递的NCO数量少于父亲，但长度更长，且随着母亲年龄的增加，卵母细胞中的NCO积累呈现不受调控的趋势。NCO在父母双方的去新生突变（DNM）中分别占1.8%和11.3%，并可能推动母亲年龄增长时DNM的增加。此外，NCO在着丝粒中比CO更为显著，可能是为了避免可能导致非整倍体的大规模基因组变化。研究揭示了NCO和CO在性别间的显著差异。母亲的NCO不仅数量较少且更长，且其积累与年龄相关，表明随着年龄增长，母亲的NCO可能变得不那么受调控。研究还发现，NCO在基因转录区域的富集与CO的缺乏形成对比，显示出NCO在这些区域的独特作用。研究进一步指出，NCO在去新生突变中的贡献显著，尤其是在母亲中，这种贡献随着年龄的增长而增加，特别是在特定的基因组区域（CGER）。这些发现为理解重组过程在基因多样性生成中的作用提供了新的视角，并可能有助于解释与年龄相关的遗传突变增加的机制。
突变率的影响：研究表明，NCOs对新生突变（DNMs）有显著影响，特别是在母亲的重组过程中。NCOs与母亲年龄的增长相关，可能解释了与年龄相关的突变率增加，这对理解遗传疾病的发生机制具有重要意义。性别差异：该研究揭示了男性和女性在减数分裂过程中存在显著差异，尤其是NCOs的特性。这种差异可能与生殖健康相关，例如女性的卵子从婴儿期到排卵期的保护机制。非整倍体风险：NCOs在着丝粒区域的显著存在可能是为了避免引起大规模的基因组变化，从而降低非整倍体的风险。这对理解染色体异常导致的流产和妊娠失败具有潜在临床价值。未来诊断和治疗的方向：通过更好地理解重组过程，特别是NCOs，我们可能能够识别重组过程失败的条件，例如在染色体异常和不孕症中的应用。总之，这篇论文强调了在遗传多样性生成和突变过程中NCOs的重要性，并为未来在生殖健康和遗传病研究中提供了新的视角。研究背景和目标：以往的重组图谱仅考虑了交叉（CO）重组，而忽略了更常见的NCO重组。本研究旨在通过加入NCO重组事件，构建完整的性别特异性人类重组图谱。2. 样本和数据来源：使用了来自2132个冰岛核心家庭的5420个三联体数据，这些家庭中的父母和至少两个子女进行了全基因组测序。3. NCO检测：通过分析基因转换事件检测NCO，关注父母一方为杂合子而另一方为纯合子的变异。应用了之前开发的方法（NCOurd）来估计NCO的长度分布，并计算每个后代的NCO数量。4. 数据分析：分析了NCO与新生突变（DNM）之间的关系，特别是NCO对DNM的性别特异性影响。构建了性别特异性的NCO图谱，并结合现有的CO图谱，分析了双链断裂（DSB）的分辨方式。
图1：NCO和CO解决的示意图
Figure 1 展示了非交叉（NCO）和交叉（CO）在同源重组过程中如何通过不同的途径解决。A. 图中展示了在一条染色体（红色）上诱导双链断裂（DSB），并对DSB附近的5'链进行切除。3'链侵入同源染色体（蓝色），并通过DNA合成（虚线）来桥接DSB。当仅有一条链侵入时，采用合成依赖的链退火（SDSA）途径，导致非交叉（NCO）的形成。当两条链均侵入时，形成双霍利迪结（dHJ），这是交叉（CO）的主要来源。结论：该图通过示意图展示了同源重组过程中非交叉和交叉的解决机制，分别通过SDSA途径和双霍利迪结的形成来实现。
图2：染色体19的非交叉重组（NCO）图谱
Figure 2 展示了染色体19的非交叉重组（NCO）和双链断裂（ΔDSB）重组图谱，分析了这些图谱在端粒和着丝粒附近的平均值，并探讨了母体减数分裂过程中NCO计数和ΔDSB与母亲年龄的关系。A. 为了展示染色体19的NCO和ΔDSB重组图谱，作者在图中标示了染色体带，其中着丝粒以红色表示，gneg带以白色表示，所有gpos带以灰色表示，gvar和stalk带以蓝色表示。图中展示了端粒附近NCO和ΔDSB重组图谱的平均值，并将NCO数据标准化为常染色体的平均值。误差条表示基于22条常染色体图谱数据通过1,000次自举法计算的95%置信区间。B. 图中展示了着丝粒附近的NCO和ΔDSB重组图谱的平均值，虚线表示全基因组的平均值。此部分与端粒附近的分析类似，旨在比较不同染色体区域的重组特征。C. 为了研究母体减数分裂过程中NCO计数和ΔDSB与母亲年龄的关系，作者将后代按母亲年龄分组，每组间隔2年，点表示组平均值，省略了后代少于25人的组。误差条表示基于5,240名先证者通过1,000次自举法计算的95%置信区间。绿色线条显示了使用置信区间大小的倒数作为权重的线性回归结果，回归结果的P值基于Student’s t分布。结论：染色体19的NCO和ΔDSB重组图谱在端粒和着丝粒附近存在显著差异，母体减数分裂过程中NCO计数和ΔDSB与母亲年龄存在相关性。
图3：临近oNCOs和全基因组范围内的分相DNMs突变谱Figure 3 展示了在不同距离范围内（父系3 kb和母系100 kb）临近oNCOs的分相去新生突变（DNMs）的突变谱，并与全基因组范围内的突变谱进行比较。A. 为了比较临近oNCOs和全基因组范围内的分相DNMs的突变谱，作者对研究中的完整队列进行了分析。图中柱状条的长度表示不同突变类别的比例。通过引导抽样1,000次计算出的95%置信区间用误差线表示，星号标记的突变类别显示了临近oNCOs和全基因组范围内的突变谱之间存在显著差异。结论：图3揭示了临近oNCOs的分相DNMs与全基因组范围内的突变谱在某些突变类别上存在显著差异。
这篇由冰岛科研团队发表在《Nature》上的论文提供了完整的人类重组图谱，首次结合了交叉重组（CO）和非交叉重组（NCO）。研究显示，NCO在重组过程中更为常见，但此前由于检测困难而被忽略。通过对冰岛家庭的全基因组测序数据分析，研究估算了父母传给后代的NCO数量，并构建了性别特异的重组图谱。研究发现母亲的NCO数量虽少但长度较长，并且随着年龄的增长，卵母细胞会非规制性地积累NCO。NCO显著多于CO，特别是在着丝粒区域，可能是为了避免引发可能导致非整倍性的基因组大规模变化。研究指出，NCO在性别间的减数分裂过程中差异更为明显，母体的NCO可能反映了卵母细胞从出生到排卵这一过程中的保护机制。
文章深入探讨了染色体特定区域的重组特征，特别是在着丝粒和转录区域中的现象。在着丝粒处，研究指出NCO重组事件较多，可能是为了保持染色体的结构完整性，减少因CO导致的非整倍体风险。这与过去认为着丝粒是重组抑制区的观念形成了鲜明对比，提示此处的非交叉重组可能扮演了重要而保护性的角色。同时，在转录区域观察到NCO的增加，尤其是在那些与PRDM9结合位点相关的区域，这也指出了可能的机制，通过该机制，转录区域的DSBs选择倾向于NCO路径来避免重要基因序列的破坏。此外，通过探讨NCO关联的区域和基因突变类型，这一研究为进一步了解特定基因组区域中突变的累积模式，以及如何通过Dsbreak路径选择影响基因组的整体稳定性，提供了新的理论框架。这不仅为基础科学研究奠定了基础，也为理解临床遗传异常的发生机制提供了新的视角。
