核苷酸重複序列的二級結構與擴張現象

自從發現了造成前述的各類疾病都和基因中含有大量的重複序列相關之後，

針對核苷酸重複序列的研究隨後紛湧而至。其中，研究指出重複序列的擴張和 DNA 二級結構的中間體有關，因 DNA 二級結構的中間體在 DNA 進行複製 (replication)、重組 (recombination)、修復 (repair) 等時形成，造成的不穩定性，

進而造成重複序列的擴張，因此此處先針對特定重複序列可能形成的二級結構作 探討。其中，可能形成的二級結構依重複序列的種類不同而分成幾種類別，如圖 三所示，(CNG)n 序列 (N 可能為 A、T、C、G 任一鹼基) 易形成類髮夾結構 (hairpin-like structure)，(CGG)n 序列易形成G-四聯體結構 (G-quadruplex structure)。

(CTG)n‧(CAG)n的雙股DNA 中也被發現可能產生在不同的兩個位置產生類髮夾 結構，雖然熱力學上較穩定的狀態應為 (CTG)n‧(CAG)n 的雙股結構，但若在動 力學下一旦形成了兩個類髮夾結構，就不易解開再重新形成雙股結構。在H-DNA 和stick-DNA 中的 (GAA)n‧(TTC)n 的重複序列被發現了分子內的三股螺旋結構。

而造成脊隨小腦萎縮症第十型的 (ATTCT)n‧(AGAAT)n 重複序列中被發現了有

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較強的解旋力，無法形成穩定的 Watson-Crick 鹼基配對，而形成解旋結構 (unwinding structure)[19]。

圖三、重複序列可能形成DNA 二級結構。摘錄自參考資料[19]。

因核苷酸序列的擴張現象被發現在未分裂的細胞中或是分裂的細胞中都有 發生，這其中隱含的意義為在染色體複製或染色體修復、重組時，序列擴張的現 象都可能發生。此處探討研究DNA 在複製、修復、重組中可能發生擴張的機制。

DNA 序列擴張的時候必須經過兩個步驟，首先為成環 (loop formation)，再者為 環的導入 (loop incorporation)[20]。

由前所述，DNA 在複製、修復、重組都可能有擴張的現象，此處以 DNA 複 製的過程作為代表，解釋目前的研究針對成環機制的理解。如圖四所示，當DNA 在進行複製的過程當中，需要藉助圖中標示為藍色三角形的解旋酶 (Helicase) 將雙股 DNA 解旋形成複製叉 (replication fork)，再由 DNA 聚合酶 (DNA polymerase) 進行複製，DNA 聚合酶在複製時，必須符合在親代 DNA (parental DNA) 上從 3’端至 5’端的方向性進行。由於必須符合方向性，在親代 DNA 上的 複製方向就有其限制性，如圖五所示，在上端的一股中只有一條較長的紅色箭頭，

表示在此側的 DNA 聚合酶的行進方向和解旋方向是一致的，稱為領先股

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(leading strand)，而最後下端有兩條較短的紅色箭頭，此股 DNA 聚合酶的行進方 向和解旋方向相反，稱為延遲股 (lagging strand)，由於延遲股所生成的 DNA 為 較多的片段，生成一系列的DNA 小片段被稱為岡崎片段 (Okazaki fragments)。

圖四、DNA 解旋酶及聚合酶進行複製的過程。摘錄自參考資料[21]。

圖五、DNA 聚合酶複製時行進方向與岡崎片段的產生。摘錄自參考資料[22]。

而在複製的過程中如何成環的研究中認為，當DNA 聚合酶在領先股上遇到 TNR 位點 (Trinucleotide Repeat site) 時，會形成聚合酶停滯 (polymerase stalling)，

如圖六中 Aa 的灰點，而延遲股端的 DNA 聚合酶能如綠色線條中順利複製。在 Ab 圖中，為了讓複製能繼續進行，複製叉會先倒退形成四股交接 (four-way junction)，此結構也被稱為雞腳結構 (chicken foot structure)，並且在此時因領先 股的DNA 聚合酶仍然無法前進，在嘗試前進的過程當中一但延遲股端複製出的 新的一股 DNA 形成較大的二級結構，此複製中的 DNA 便會發出求救訊息，並

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引發跨損傷聚合酶 (Translesion Polymerase, TLP) 的生成，在 Ac 圖中，此 TLP 生成之後會利用延遲股端複製出新的一股 DNA 進行複製，並跨越 TNR 位點，

而在跨越之後 DNA 聚合酶就會重啟作用，繼續進行 DNA 複製。而在此過程當 中，雖現今仍無法解釋為何TLP 到底進行了何種機制而跨越 TNR 位點，但延遲 股端因為這種跨越的現象，而在複製的過程中擴張了一段成環的序列。

圖六、DNA 複製過程中遇到 TNR 時可能造成擴張的原因。摘錄自參考資料[22]。

而序列擴張的第二步驟為環的導入，如圖七所示，最上端說明在錯配修復 (Mismatch Repair, MMR) 的機制之下，應能正確地將因成環作用形成紅色的環修 復成右上側無變異的雙股DNA，然而若是因環狀結構過於穩定而造成修復失敗，

就可能造成環的導入。目前解釋環的導入有三種可能的模型，第一種為在進行分 裂的細胞 (dividing cell) 當中，若是 DNA 直接進入下一個循環的複製，這種條 件下若是正常進行而無形成其他新環的結果，會有兩條雙股DNA 的生成，其中

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一條為正常長度的DNA，而另一條則為多了一段擴張序列的 DNA。而第二、三 種模型都是在未分裂的細胞 (non-dividing cell) 中，和 DNA 修復蛋白 MSH2-MSH3 (MutS homologue2-MutS homologue3) 正常修復機制 (canonical mismatch repair)相關，圖中央的具有活性的 MSH2-MSH3 會和環形成作用力，接著引來正 常修復機制所需的蛋白，將成環對側的雙股切開而形成單股缺口 (single strand break)，並引來聚合酶進行填補合成 (gap-filling synthesis)。而最後一種模型雖然 也有 MSH2-MSH3 的參與，但這些研究主張此處的 MSH2-MSH3 應是不具有活 性，而是引發非正常修復機制 (non-canonical mismatch repair) 而造成環的導入 [20]。

圖七、DNA 於修復時發生環的導入而造成序列擴張的三種可能機制。摘錄自參 考資料[22]。