Рекомбинация: гомологический кроссинговер, сайтспецифическая рекомбинация, транспозиции. Доказательство механизма общей рекомбинации по схеме «разрыв-воссоединение».

 


Генетическая рекомбинация подразумевает несколько типов перераспределения наследственных факторов: 1. Рекомбинация хромосомных и нехромосомных генов. Примером в данном случае может служить рекомбинация ядерных и неядерных генов, происходящая в результате гетерогамии у эукариотических организмов, а также перераспределение «хромосомы» и нехромосомных элементов типа плазмид и эписом у бактерий.  2. Рекомбинация целых негомологичных хромосом. 3. Рекомбинация участков хромосом или иных генофоров, представленных непрерывными молекулами ДНК. Этот тип рекомбинации принято подразделять на три подтипа.

Регулярная, или общая, рекомбинация, представляющая собой кроссинговер, т. е. обмен гомологичными участками в различных точках гомологичных хромосом, приводящий к появлению нового сочетания сцепленных генов. Это, как правило, и подразумевают под словом рекомбинация, неоправданно сужая значение термина.

В отличие от общей рекомбинации, сайт-специфическая рекомбинация происходит под контролем ферментов, опознающих специфические последовательности нуклеотидов, присутствующие на одной или двух рекомбинирующих молекулах. С помощью этого типа рекомбинации бактериальные вирусы и мобильные элементы перемещаются по геному.

Сайт-специфическая рекомбинация была открыта в результате исследований механизма перемещения бактериофага А по хромосоме Е.coli. В интегрированном состоянии вирус внедрен в бактериальную хромосому и реплицируется как часть ДНК клетки-хозяина. Когда вирус проникает в клетку, на матрице вирусного гена синтезируется фермент А-интеграза. Этот фермент и катализирует процесс рекомбинации, начинающийся тогда, когда несколько молекул белка интегразы плотно связываются со специфическими последовательностями на кольцевой хромосоме фага. Получившийся ДНК-белковый комплекс теперь связывается со сходными, но не идентичными последовательностями на бактериальной хромосоме, сближая тем самым бактериальную и фаговую хромосомы. Затем интеграза делает надрезы в молекулах ДНК, формируя маленький участок сочленения гетеродуплекса.

Интеграза напоминает ДНК-топоизомеразу в том отношении, что она формирует ковалентную связь с ДНК в тех же местах, где и разрывает. Тот же самый механизм сайт-специфической рекомбинации приходит в действие, только в обратном направлении, когда фаг l вырезается из сайта интеграции.

Иногда в результате мейоза получаются три копии материнского аллеля и только одна копия отцовского, что свидетельствует об изменении одной копии отцовского аллеля в материнский. Это явление называется генной конверсией. Оно часто происходит в связи с событиями общей рекомбинации и репарации ДНК.

Незаконная, или неправильная, рекомбинация, включающая негомологичные обмены, т. е. транслокации, инверсии, а также случаи неравного кроссинговера.

Современные представления о механизме кроссинговера восходят к представлениям школы Т. Моргана, согласно которым рекомбинация сцепленных генов заключается в разрыве гомологичных хроматид с последующим реципрокным соединением их в новом сочетании (гипотеза разрыв — слияние).

В 1930 г. Х. Винклер выдвинул гипотезу конверсии, согласно которой в гетерозиготе могут происходить направленные превращения одного аллеля в другой по типу:В результате такого процесса при гаметогенезе образуются все четыре типа гамет, наблюдаемые при расщеплении дигетерозиготы. Еще одна гипотеза, пытавшаяся объяснить появление рекомбинантных потомков у дигетерозигот по сцепленным генам, предложена в 1931 г. Дж. Беллингом. Согласно ей при воспроизведении хромосом в первую очередь удваиваются хромомеры, а затем происходит удвоение хромонем, которые могут соединить дочерние хромомеры в прежней или в рекомбинантной последовательности.

Гипотеза Дж. Беллинга была оставлена, как и гипотеза Х. Винклера, и возрождена позже в модифицированной форме для объяснения тех случаев, когда в расщеплении дигетерозиготы появляется только один из двух реципрокных рекомбинантов. В частности, при изучении рекомбинации у бактериофагов оказалось, что некоторые клетки Е. coli, совместно инфицированные двумя генетически различными частицами одного и того же бактериофага, продуцируют лишь один из реципрокных рекомбинантных классов. Объяснение этого явления заключалось в том, что при размножении бактериофага редупликация ДНК может происходить частично по матрице одного, а частично по матрице другого фага. Такой гипотетический механизм, , назван копированием со сменой матриц. В соответствии с этой гипотезой синтез ДНК должен происходить не по полуконсервативному, а по консервативному типу, что противоречит механизму редупликации, который был доказан в экспериментах М. Мезельсона и Ф. Сталя.

Гомологичная рекомбинация происходит между двумя дуплексными молекулами ДНК. Следует подчеркнуть, что ферменты, участвующие в этом процессе, могут использовать в качестве субстрата любую пару гомологичных последовательностей. Гомологичные хромосомы притягиваются друг к другу, конъюгируют в одном или более районе, формируя биваленты. Когда процесс спаривания хромосом завершен, хромосомы соединяются латерально за счет структуры, называемой синаптонемальным комплексом. Рекомбинация между хромосомами подразумевает физический обмен частями, происходящий по принципу «разрыв и воссоединение», в ходе которых две несестринские хроматиды рвутся и затем воссоединяются. Когда хромосомы начинают расходиться, их контакты между собой остаются в виде так называемых хиазм. Традиционно считается, что хиазмы представляют собой отражение существования кроссинговера, хотя формальных доказательств этой связи до сих пор не получено. первым шагом к началу рекомбинации ДНК является сближение двух дуплексных молекул ДНК. Существует много доказательств того, что даже единственной бреши только в одной цепи молекулы ДНК достаточно для инициации общей рекомбинации. Химические препараты или облучение, приводящие к образованию однонитчатых брешей, будут стимулировать рекомбинацию. Первым шагом в синапсисе является спаривание комплементарных последовательностей нуклеотидов. В результате образуется трехцепочечная структура. После этого короткий участок, в котором нити из двух различных молекул начинали спариваться, увеличивается из-за «миграции ветви» . «Миграция ветви» может происходить в любой точке, где две одиночные цепи ДНК, имеющие одинаковые последовательности, конкурируют за возможность спариваться с одной и той же комплементарной цепью. Неспаренный участок одной из одиночных цепей заменяется спаренным районом другой, двигая точку ветвления. Спонтанное движение ветви равновероятно в любом направлении .

После этого у большинства изученных организмов наступает стадия формирования перекрестного обмена цепей, или структур Холлидея  В этих структурах две гомологичные молекулы ДНК, которые раньше были спарены, теперь удерживаются вместе за счет сформировавшихся обменов между двумя из четырех цепей: по одной из каждой молекулы ДНК. Структура Холлидея имеет две особенности: 1) точка обмена между цепями может быстро мигрировать вперед и назад; 2) она состоит из двух пар цепей — одна пара пересекающихся и одна пара непересекающихся. Для того чтобы восстановить две раздельные спирали ДНК и таким образом закончить процесс спаривания молекул, две пересекающиеся цепи должны быть разрезаны. Если они разрезаны до изомеризации, две исходные спирали отделяются одна от другой почти неизмененными. Если пересекающиеся нити разрезаны после изомеризации, одна секция каждой из исходных спиралей ДНК соединяется с секцией другой молекулы, другими словами, две спирали ДНК испытывают кроссинговер.


Предыдущие материалы: Следующие материалы: