Войти
Текущая модель мейотической рекомбинации, инициированная двухцепочечным разрывом или разрывом с последующим спариванием с гомологичной хромосомой и инвазией цепи для инициирования процесса рекомбинационной репарации. Ремонт разрыва может привести к кроссоверу (CO) или непересечению (NCO) фланкирующих областей. Предполагается, что рекомбинация CO происходит по модели двойного холлидейского соединения (DHJ), показанной справа выше. Считается, что рекомбинанты NCO возникают в основном в рамках модели отжига зависимых цепей от синтеза (SDSA), показанной слева выше. Большинство событий рекомбинации относятся к типу SDSA. Генетическая рекомбинация (также известная как генетическая перестановка ) - это обмен генетическим материалом между различными организмами, который приводит к получению потомства с комбинациями признаков которые отличаются от тех, что есть у любого из родителей. У эукариот генетическая рекомбинация во время мейоза может привести к новому набору генетической информации, которая может передаваться от родителей к потомству. Большая часть рекомбинации происходит в природе.
Во время мейоза у эукариот генетическая рекомбинация включает спаривание гомологичных хромосом. За этим может последовать передача информации между хромосомами. Передача информации может происходить без физического обмена (часть генетического материала копируется с одной хромосомы на другую без изменения донорской хромосомы) (см. Путь SDSA на рисунке); или путем разрыва и повторного соединения нитей ДНК, что образует новые молекулы ДНК (см. путь DHJ на рисунке).
Рекомбинация также может происходить во время митоза у эукариот, когда она обычно включает две сестринские хромосомы, образованные после хромосомной репликации. В этом случае новые комбинации аллелей не образуются, поскольку сестринские хромосомы обычно идентичны. В мейозе и митозе рекомбинация происходит между сходными молекулами ДНК (гомологичные последовательности ). В мейозе несестринские гомологичные хромосомы спариваются друг с другом, так что рекомбинация характерно происходит между несестринскими гомологами. Как в мейотических, так и в митотических клетках рекомбинация между гомологичными хромосомами является общим механизмом, используемым в репарации ДНК.
преобразовании генов - процесс, во время которого гомологичные последовательности становятся идентичными, также подпадает под генетическую рекомбинацию.
Генетическая рекомбинация и рекомбинационная репарация ДНК также встречается у бактерий и архей, которые используют бесполое размножение.
. Рекомбинация может быть искусственно индуцированные в лабораторных условиях (in vitro) с получением рекомбинантной ДНК для целей, включая разработку вакцины.
V (D) J-рекомбинация в организмах с адаптивной иммунной системой - это тип сайт-специфической генетической рекомбинации, которая помогает иммунным клеткам быстро диверсифицироваться для распознавания новых патогенов и адаптации к ним.
Во время мейоза, синапсис (соединение гомологичных хромосом) обычно предшествует генетической рекомбинации.
Генетическая рекомбинация катализируется множеством различных ферментов. Рекомбиназы - ключевые ферменты, которые катализируют этап переноса цепи во время рекомбинации. RecA, главная рекомбиназа, обнаруженная в Escherichia coli, отвечает за репарацию двухцепочечных разрывов ДНК (DSB). В дрожжах и других эукариотических организмах для восстановления DSB необходимы две рекомбиназы. Белок RAD51 необходим для митотической и мейотической рекомбинации, тогда как белок репарации ДНК, DMC1, специфичен для мейотической рекомбинации. В архее ортолог бактериального белка RecA - это RadA.
В Бактерии присутствуют:
Иллюстрация кроссинговера Томаса Ханта Моргана (1916) У эукариот рекомбинация во время мейоза облегчается хромосомным кроссовером. Процесс кроссовера приводит к тому, что потомство имеет комбинации генов, отличные от генов их родителей, и может иногда производить новые химерные аллели. Перестановка генов, вызванная генетической рекомбинацией, приводит к увеличению генетической изменчивости. Это также позволяет организмам, размножающимся половым путем, избегать трещотки Мюллера, в которой геномы асексуальной популяции накапливают генетические делеции безвозвратно.
Хромосомный кроссовер включает рекомбинацию между парными хромосомами, унаследованными от каждого из родителей, обычно происходящую во время мейоза. Во время профазы I (стадия пахитена) четыре доступные хроматиды находятся в плотном образовании друг с другом. Находясь в таком образовании, гомологичные сайты на двух хроматидах могут тесно спариваться друг с другом и могут обмениваться генетической информацией.
Поскольку рекомбинация может происходить с небольшой вероятностью в любом месте вдоль хромосомы, частота рекомбинации между двумя точками зависит от разделяющего их расстояния. Следовательно, для генов, достаточно удаленных на одной хромосоме, степень кроссовера достаточно высока, чтобы разрушить корреляцию между аллелями.
. Отслеживание движения генов, возникающих в результате кроссоверов, оказалось весьма полезным для генетиков. Поскольку два гена, которые находятся близко друг к другу, с меньшей вероятностью разделятся, чем гены, которые находятся дальше друг от друга, генетики могут приблизительно определить, насколько далеко друг от друга находятся два гена на хромосоме, если они знают частоту кроссоверов. Генетики также могут использовать этот метод, чтобы сделать вывод о наличии определенных генов. Говорят, что гены, которые обычно остаются вместе во время рекомбинации, связаны. Один ген в связанной паре иногда можно использовать в качестве маркера для определения наличия другого гена. Обычно это используется для обнаружения присутствия болезнетворного гена.
Частота рекомбинации между двумя наблюдаемыми локусами - это значение кроссинговера. Это частота кроссинговера между двумя связанными локусами гена (маркеры ) и зависит от взаимного расстояния генетических локусов наблюдаемый. Для любого фиксированного набора генетических и экологических условий рекомбинация в определенной области структуры сцепления (хромосома ) имеет тенденцию быть постоянной, и то же самое в этом случае верно для значения кроссинговера, которое используется в создание генетических карт.
При конверсии генов часть генетического материала копируется с одной хромосомы на другую без изменения донорной хромосомы. Конверсия гена происходит с высокой частотой в фактическом месте события рекомбинации во время мейоза. Это процесс, с помощью которого последовательность ДНК копируется из одной спирали ДНК (которая остается неизменной) в другую спираль ДНК, последовательность которой изменяется. Конверсия генов часто изучалась при скрещивании грибов, где удобно было наблюдать 4 продукта индивидуальных мейозов. События генной конверсии можно различить как отклонения в индивидуальном мейозе от нормального паттерна сегрегации 2: 2 (например, паттерна 3: 1).
Рекомбинация может происходить между последовательностями ДНК, которые не содержат последовательности гомологии. Это может вызвать хромосомные транслокации, иногда приводящие к раку.
В-клетки иммунной системы выполняют генетическую рекомбинацию, называемую переключением класса иммуноглобулинов. Это биологический механизм, который изменяет антитело из одного класса в другой, например, с изотипа, называемого IgM, на изотип, называемый IgG.
В генной инженерии рекомбинация также может относиться к искусственной и преднамеренной рекомбинации разрозненных фрагментов ДНК, часто от разных организмов, в результате чего создается так называемая рекомбинантная ДНК. Ярким примером такого использования генетической рекомбинации является нацеливание на ген, которое можно использовать для добавления, удаления или иного изменения генов организма. Этот метод важен для биомедицинских исследователей, поскольку он позволяет им изучать эффекты конкретных генов. Методы, основанные на генетической рекомбинации, также применяются в белковой инженерии для разработки новых белков, представляющих биологический интерес.
Повреждения ДНК, вызванные множеством экзогенных агентов (например, УФ-свет, рентгеновские лучи, химические перекрестные связывающие агенты) могут быть восстановлены посредством гомологичной рекомбинационной репарации (HRR). Эти данные свидетельствуют о том, что повреждения ДНК, возникающие в результате естественных процессов, таких как воздействие активных форм кислорода, которые являются побочными продуктами нормального метаболизма, также восстанавливаются с помощью HRR. У людей дефицит генных продуктов, необходимых для HRR во время мейоза, вероятно, вызывает бесплодие. У людей дефицит генных продуктов, необходимых для HRR, таких как BRCA1 и BRCA2, увеличивает риск рака (см. нарушение репарации ДНК ).
В бактериях трансформация - это процесс переноса генов, который обычно происходит между отдельными клетками одного и того же вида бактерий. Трансформация включает интеграцию донорской ДНК в хромосому-реципиент путем рекомбинации. Этот процесс, по-видимому, является адаптацией для восстановления повреждений ДНК в хромосоме реципиента с помощью HRR. Трансформация может принести пользу патогенным бактериям, позволяя восстановить повреждение ДНК, особенно повреждения, возникающие в воспалительной окислительной среде, связанной с инфекцией хозяина.
Когда два или более вируса, каждый из которых содержит летальные геномные повреждения, инфицируют одну и ту же клетку-хозяин, вирусные геномы часто могут спариваться друг с другом и подвергаться HRR с образованием жизнеспособного потомства. Этот процесс, называемый реактивацией множественности, был изучен на лямбда-бактериофагах и Т4, а также на нескольких патогенных вирусах. В случае патогенных вирусов реактивация множественности может быть адаптивным преимуществом для вируса, поскольку она позволяет восстанавливать повреждения ДНК, вызванные воздействием окислительной среды, образующейся во время инфекции хозяина. См. Также повторная сортировка.
Молекулярные модели мейотической рекомбинации развивались с годами по мере накопления соответствующих данных. Основным стимулом для развития фундаментального понимания механизма мейотической рекомбинации является то, что такое понимание имеет решающее значение для решения проблемы адаптивной функции пола, главной нерешенной проблемы в биологии. Недавняя модель, которая отражает текущее понимание, была представлена Андерсоном и Секельски и представлена на первом рисунке в этой статье. На рисунке показано, что две из четырех хроматид, присутствующих на ранних этапах мейоза (профаза I), спарены друг с другом и способны взаимодействовать. Рекомбинация в этой версии модели инициируется двухцепочечным разрывом (или разрывом), показанным в молекуле ДНК (хроматиде) в верхней части первого рисунка этой статьи. Однако другие типы повреждений ДНК также могут инициировать рекомбинацию. Например, межцепочечная сшивка (вызванная воздействием сшивающего агента, такого как митомицин C) может быть восстановлена с помощью HRR.
Как показано на первом рисунке выше, получают два типа рекомбинантного продукта. С правой стороны указан «кроссоверный» (CO) тип, при котором фланкирующие области хромосом обмениваются, а с левой стороны - «некроссинговый» (NCO) тип, при котором фланкирующие области не обмениваются. CO-тип рекомбинации включает промежуточное образование двух «узлов Холлидея», обозначенных в правом нижнем углу рисунка двумя X-образными структурами, в каждой из которых происходит обмен одиночными цепями между двумя участвующими хроматидами. Этот путь обозначен на рисунке как путь DHJ (двойное соединение Холлидея).
Рекомбинанты NCO (показаны слева на рисунке) получают с помощью процесса, называемого «зависимым от синтеза отжигом цепи» (SDSA). События рекомбинации типа NCO / SDSA, по-видимому, более распространены, чем тип CO / DHJ. Путь NCO / SDSA мало способствует генетической изменчивости, поскольку плечи хромосом, фланкирующие событие рекомбинации, остаются в родительской конфигурации. Таким образом, объяснения адаптивной функции мейоза, которые фокусируются исключительно на кроссинговере, неадекватны для объяснения большинства событий рекомбинации.
Ахиазмия - это явление, при котором аутосомная рекомбинация полностью отсутствует у одного пола вида. Ахиазматическая хромосомная сегрегация хорошо документирована у самцов Drosophila melanogaster. Гетерохиазмия возникает, когда скорость рекомбинации различается между полами одного вида. Этот половой диморфный паттерн в скорости рекомбинации наблюдается у многих видов. У млекопитающих у самок чаще наблюдается более высокая скорость рекомбинации. «Правило Холдейна-Хаксли» гласит, что ахиазмия обычно возникает при гетерогаметном полу.
Многие РНК-вирусы способны генетической рекомбинации когда по меньшей мере два вирусных генома присутствуют в одной и той же клетке-хозяине. Рекомбинация РНК, по-видимому, является основной движущей силой в определении архитектуры генома и курса вирусной эволюции среди пикорнавиридов ((+) оцРНК ) (например, полиовируса ). В retroviridae ((+) ssRNA) (например, HIV ) повреждения в геноме РНК, по-видимому, избегают во время обратной транскрипции путем переключения цепи, формы рекомбинации. Рекомбинация также происходит в reoviridae (dsRNA) (например, реовирус), orthomyxoviridae ((-) ssRNA) (например, вирус гриппа ) и coronaviridae ((+) оцРНК) (например, SARS ). Рекомбинация в РНК-вирусах, по-видимому, является адаптацией для борьбы с повреждением генома. Переключение между цепями матрицы во время репликации генома, называемое рекомбинацией с выбором копии, было первоначально предложено для объяснения положительной корреляции событий рекомбинации на коротких расстояниях в организмах с ДНК-геномом (см. Первый рисунок, путь SDSA ). Рекомбинация может происходить нечасто между вирусами животных одного вида, но разных ветвей. Полученные рекомбинантные вирусы могут иногда вызывать вспышку инфекции у людей.
При репликации его (+) генома оцРНК полиовируса РНК-зависимая РНК полимераза (RdRp) способна осуществлять рекомбинацию. Рекомбинация, по-видимому, происходит с помощью механизма выбора копии, в котором RdRp переключает (+) матрицы ssRNA во время синтеза отрицательной цепи. Рекомбинация путем переключения цепи RdRp также происходит в (+) оцРНК растений кармовирусов и томбусвирусов.
Коронавирусы (CoV) способны к генетической рекомбинации, когда по крайней мере два вирусных геномы присутствуют в одной инфицированной клетке. РНК рекомбинация, по-видимому, является основной движущей силой в определении генетической изменчивости внутри разновидностей CoV, а также способности разновидностей CoV переходить от одного хозяина к другому и, нечасто, для появления новых CoV.. Механизм рекомбинации в CoVs, вероятно, включает переключение матрицы во время репликации генома. Полный рецепторный связывающий мотив SARS-CoV-2, по-видимому, был введен посредством рекомбинации из коронавирусов из панголинов. Такое событие рекомбинации могло стать решающим шагом в развитии способности SARS-CoV-2 инфицировать людей. В общем, события рекомбинации, вероятно, являются ключевыми этапами в эволюционном процессе, который приводит к появлению новых коронавирусов человека.
Эта статья включает общедоступный материал из документа NCBI : «Science Primer».
