Войти
Кроссинговер происходит между профазой I и метафазой I и представляет собой процесс, при котором две гомологичные несестринские хроматиды объединяются в пары друг с другом и обмениваются разными сегментами генетического материала, чтобы сформировать две рекомбинантные сестринские хроматиды хромосом. Это также может произойти во время митотического деления, что может привести к потере гетерозиготности. Кроссинговер необходим для нормальной сегрегации хромосом во время мейоза. Кроссинговер также учитывает генетическую изменчивость, потому что из-за обмена генетического материала во время кроссинговера хроматиды, удерживаемые вместе центромерой, больше не идентичны. Итак, когда хромосомы переходят в мейоз II и разделяются, некоторые из дочерних клеток получают дочерние хромосомы с рекомбинированными аллелями. Из-за этой генетической рекомбинации у потомства другой набор аллелей и генов, чем у их родителей. На диаграмме гены B и b скрещиваются друг с другом, образуя рекомбинанты после мейоза Ab, AB, ab и aB. 
Иллюстрация кроссинговера Томаса Ханта Моргана (1916) 
Двойной кроссинговер Хромосомный кроссовер или кроссинговер - это обмен генетическим материалом во время полового размножения между двумя гомологичными хромосомами 'не- сестринские хроматиды, что приводит к рекомбинантным хромосомам. Это одна из заключительных фаз генетической рекомбинации, которая происходит на стадии пахитена профазы I мейоза во время процесса, называемого синапсис. Синапс начинается до развития синаптонемного комплекса и не завершается почти до конца профазы I. Кроссовер обычно происходит, когда совпадающие области на совпадающих хромосомах разрываются и затем повторно соединяются с другой хромосомой.
Кроссинговер теоретически описал Томас Хант Морган. Он опирался на открытие Франса Альфонса Янссенса, который описал это явление в 1909 году и назвал его «хиазматипией». Термин хиазма связан, если не идентичен, с хромосомным кроссовером. Морган сразу понял, насколько важна цитологическая интерпретация хиазм Янссенсом для экспериментальных результатов его исследования наследственности Drosophila. Физическая основа кроссинговера была впервые продемонстрирована Харриет Крейтон и Барбарой МакКлинток в 1931 году.
Связанная частота кроссинговера между двумя генами loci (markers ) - это значение кроссинговера. Для фиксированного набора генетических условий и условий окружающей среды рекомбинация в определенной области структуры сцепления (хромосома ) имеет тенденцию быть постоянным, и то же самое справедливо для значения кроссинговера, которое используется для создания генетических карт.
Существуют две популярные и частично совпадающие теории, объясняющие происхождение скрещивания: Более того, исходя из различных теорий происхождения мейоза. Первая теория основана на идее, что мейоз развился как еще один метод репарации ДНК, и, таким образом, кроссинговер является новым способом замены возможно поврежденных участков ДНК. Вторая теория исходит из идеи, что мейоз возник в результате бактериальной трансформации с функцией распространения разнообразия. В 1931 году Барбара МакКлинток открыла триплоидное растение кукурузы. Она сделала ключевые выводы относительно кариотипа кукурузы, включая размер и форму хромосом. МакКлинток использовал профазную и метафазную стадии митоза для описания морфологии хромосом кукурузы, а позже продемонстрировал первую в истории цитологическую демонстрацию кроссинговера в мейозе. Работая со студенткой Харриет Крейтон, Макклинток также внес значительный вклад в раннее понимание созависимости сцепленных генов.
Кроссинговер и репарация ДНК - очень похожие процессы, в которых используются многие из одних и тех же белковых комплексов. В своем отчете «Значение реакции генома на вызов» МакКлинток изучала кукурузу, чтобы показать, как геном кукурузы изменится сам, чтобы преодолеть угрозы ее выживанию. Она использовала 450 самоопыляемых растений, получивших от каждого родителя хромосому с разорванным концом. Она использовала модифицированные паттерны экспрессии генов на разных участках листьев ее растений кукурузы, показав, что в геноме прячутся мобильные элементы («контролирующие элементы»), а их подвижность позволяет им изменять действие генов в разных локусах. Эти элементы также могут реструктурировать геном, от нескольких нуклеотидов до целых сегментов хромосомы. Рекомбиназы и примазы закладывают основу нуклеотидов в последовательности ДНК. Одним из таких конкретных белковых комплексов, который сохраняется между процессами, является RAD51, хорошо консервативный белок рекомбиназы, который, как было показано, играет решающую роль в репарации ДНК, а также в кроссинговере. Несколько других генов у D. melanogaster также были связаны с обоими процессами, показывая, что мутанты по этим специфическим локусам не могут подвергаться репарации ДНК или кроссинговеру. К таким генам относятся mei-41, mei-9, hdm, spnA и brca2. Эта большая группа консервативных генов между процессами поддерживает теорию тесной эволюционной связи. Кроме того, было обнаружено, что репарация ДНК и кроссовер благоприятствуют сходным участкам хромосом. В эксперименте с использованием радиационного гибридного картирования на хромосоме 3B пшеницы (Triticum aestivum L.) было обнаружено, что кроссинговер и репарация ДНК происходят преимущественно в одних и тех же регионах. Более того, кроссинговер коррелирует с реакцией на стрессовые и вероятные повреждения ДНК
Процесс бактериальной трансформации также имеет много общего с хромосомным кроссинговером, особенно при образовании выступов на сторонах разорванной цепи ДНК, что позволяет отжигать новую цепь. Сама бактериальная трансформация много раз была связана с репарацией ДНК. Вторая теория исходит из идеи, что мейоз возник в результате бактериальной трансформации с функцией распространения генетического разнообразия.. Таким образом, это свидетельство предполагает, что вопрос заключается в том, связан ли кроссинговер с репарацией ДНК или бактериальной трансформацией, поскольку они не исключают друг друга. Вероятно, что кроссинговер возник в результате бактериальной трансформации, которая, в свою очередь, возникла в результате репарации ДНК, что объясняет связи между всеми тремя процессами.
Современная модель мейотической рекомбинации, инициированной двухцепочечным разрывом или разрывом, с последующим спариванием с гомологичной хромосомой и инвазией цепи для инициации процесса рекомбинационной репарации. Ремонт разрыва может привести к кроссоверу (CO) или непересечению (NCO) фланкирующих областей. Предполагается, что рекомбинация CO происходит в рамках 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, по-видимому, относятся к типу SDSA. Мейотическая рекомбинация может быть инициирована двухцепочечными разрывами, которые вводятся в ДНК при воздействии повреждающих ДНК агентов, или белка Spo11. Одна или несколько экзонуклеаз затем расщепляют 5 ’концы, образованные двухцепочечными разрывами, с образованием 3’ однонитевых хвостов ДНК (см. Диаграмму). Специфическая для мейоза рекомбиназа Dmc1 и общая рекомбиназа Rad51 покрывают одноцепочечную ДНК с образованием нуклеопротеиновых филаментов. Рекомбиназы катализируют вторжение противоположной хроматиды однонитевой ДНК с одного конца разрыва. Затем 3’-конец вторгающейся ДНК запускает синтез ДНК, вызывая смещение комплементарной цепи, которая впоследствии отжигается с одноцепочечной ДНК, образованной на другом конце исходного двухцепочечного разрыва. Возникающая в результате структура представляет собой обмен поперечными цепями, также известную как соединение Холлидея. Контакт между двумя хроматидами, который скоро подвергнется кроссинговеру, известен как хиазма. Соединение Холлидея представляет собой тетраэдрическую структуру, которую могут «тянуть» другие рекомбиназы, перемещая ее по четырехцепочечной структуре.
Соединение Холлидея
Молекулярная структура соединения Холлидея.
Белки MSH4 и MSH5 образуют гетероолигомерную структуру (гетеродимер ) у дрожжей и человека. В дрожжах Saccharomyces cerevisiae MSH4 и MSH5 действуют специфически, способствуя кроссоверам между гомологичными хромосомами во время мейоза. Комплекс MSH4 / MSH5 связывает и стабилизирует двойные соединения Холлидея и способствует их разделению на продукты кроссовера. Гипоморфный (частично функциональный) мутант S. cerevisiae MSH4 показал 30% -ное снижение числа кроссоверов по всему геному и большое количество мейозов с необменными хромосомами. Тем не менее, этот мутант дал начало паттернам жизнеспособности спор, что позволяет предположить, что сегрегация необменных хромосом происходит эффективно. Таким образом, у S. cerevisiae собственное сегрегация, по-видимому, не полностью зависит от кроссоверов между гомологичными парами.
Кузнечик Melanoplus femur-rubrum подвергался острой дозе рентгеновских лучей на каждой отдельной стадии мейоза. и частота хиазмы. Обнаружено облучение во время стадии лептотены - зиготены мейоза (то есть до периода пахитены, в котором происходит кроссоверная рекомбинация) для увеличения последующей частоты хиазм. Точно так же у кузнечика Chorthippus brunneus воздействие рентгеновского излучения на стадии зиготена-ранняя пахитена вызывало значительное увеличение средней частоты клеточных хиазм. Частоту хиазм оценивали на более поздних стадиях диплотен-диакинез мейоза. Эти результаты предполагают, что рентгеновские лучи вызывают повреждения ДНК, которые восстанавливаются перекрестным путем, ведущим к образованию хиазмы.
Разница между конверсией гена и хромосомным кроссовером .У большинства эукариот клетка несет два версии каждого гена, каждая из которых называется аллелем . Каждый родитель передает по одному аллелю каждому потомству. Индивидуальная гамета наследует полный гаплоидный набор аллелей на хромосомах, которые независимо выбираются из каждой пары хроматид, выстроенных на метафазной пластине. Без рекомбинации все аллели этих генов, связанных вместе в одной хромосоме, унаследовались бы вместе. Мейотическая рекомбинация позволяет более независимую сегрегацию между двумя аллелями, которые занимают позиции отдельных генов, поскольку рекомбинация перетасовывает содержание аллелей между гомологичными хромосомами.
Рекомбинация приводит к новому расположению материнских и отцовских аллелей на одной хромосоме. Хотя одни и те же гены появляются в одном порядке, некоторые аллели различаются. Таким образом, теоретически возможно иметь любую комбинацию родительских аллелей в потомстве, и тот факт, что два аллеля появляются вместе в одном потомстве, не оказывает никакого влияния на статистическую вероятность того, что другое потомство будет иметь такую же комбинацию. Этот принцип «независимого ассортимента » генов является фундаментальным для генетического наследования. Однако частота рекомбинации на самом деле не одинакова для всех комбинаций генов. Это приводит к понятию «генетическое расстояние », которое является мерой частоты рекомбинации, усредненной по (достаточно большой) выборке родословных. Грубо говоря, можно сказать, что это связано с тем, что на рекомбинацию сильно влияет близость одного гена к другому. Если два гена расположены близко друг к другу на хромосоме, вероятность того, что событие рекомбинации разделит эти два гена, меньше, чем если бы они были дальше друг от друга. Генетическая связь описывает тенденцию генов наследоваться вместе в результате их расположения на одной хромосоме. Нарушение равновесия по сцеплению описывает ситуацию, в которой некоторые комбинации генов или генетических маркеров встречаются в популяции более или менее часто, чем можно было бы ожидать на расстоянии друг от друга. Эта концепция применяется при поиске гена, который может вызывать конкретное заболевание. Это делается путем сравнения появления конкретной последовательности ДНК с появлением заболевания. Когда между ними обнаруживается высокая корреляция, вполне вероятно, что соответствующая последовательность гена действительно ближе.
Кроссоверы обычно происходят между гомологичными областями совпадения хромосом, но сходство в последовательности и других факторах может привести к несовпадающему выравниванию. Большая часть ДНК состоит из последовательностей пар оснований, повторяющихся очень большое количество раз. Эти повторяющиеся сегменты, часто называемые спутниками, довольно однородны среди видов. Во время репликации ДНК каждая цепь ДНК используется в качестве матрицы для создания новых цепей с использованием частично консервативного механизма; В результате правильного функционирования этого процесса образуются две идентичные парные хромосомы, часто называемые сестрами. События кроссовера сестринских хроматид, как известно, происходят со скоростью нескольких событий кроссовера на клетку на деление у эукариот. Большинство этих событий связано с обменом одинаковыми объемами генетической информации, но неравным обмены могут происходить из-за несоответствия последовательности. Они называются разными именами, включая негомологичный кроссовер, неравный кроссовер и несбалансированную рекомбинацию, и приводят к вставке или удалению генетической информации в хромосому. Хотя эти мутации редки по сравнению с событиями гомологичного кроссовера, они являются радикальными, затрагивая множество локусов одновременно. Они считаются основной движущей силой возникновения дупликаций гена и являются общим источником мутации в геноме.
. Конкретными причинами негомологичных событий кроссовера являются неизвестно, но известно несколько влияющих факторов, увеличивающих вероятность неравного кроссовера. Одним из распространенных векторов, приводящих к несбалансированной рекомбинации, является восстановление двухцепочечных разрывов (DSB). DSB часто восстанавливают с помощью гомологически направленной репарации, процесса, который включает в себя вторжение нити DSB в цепочку шаблона (см. Рисунок ниже). Соседние гомологичные области цепочки-матрицы часто используются для репарации, что может приводить к вставкам или делециям в геноме, если используется негомологичная, но комплементарная часть цепи-матрицы. Сходство последовательностей играет важную роль в кроссовере - события кроссовера с большей вероятностью происходят в длинных областях близкой идентичности гена. Это означает, что любой участок генома с длинными участками повторяющейся ДНК подвержен перекрестным событиям.
Наличие перемещаемых элементов - еще один важный элемент негомологичного кроссовера. Повторяющиеся участки кода характеризуют сменные элементы; комплементарные, но негомологичные регионы повсеместно встречаются внутри транспозонов. Поскольку хромосомные области, состоящие из транспозонов, имеют большое количество идентичного повторяющегося кода в конденсированном пространстве, считается, что области транспозонов, подвергающиеся перекрестному событию, более склонны к ошибочному дополнительному совпадению; то есть участок хромосомы, содержащий множество идентичных последовательностей, если он подвергнется перекрестному событию, менее уверен в совпадении с идеально гомологичным участком дополнительного кода и более склонен к связыванию с участком кода на немного другая часть хромосомы. Это приводит к несбалансированной рекомбинации, поскольку генетическая информация может быть вставлена или удалена в новую хромосому, в зависимости от того, где произошла рекомбинация.
Хотя мотивирующие факторы, лежащие в основе неравной рекомбинации, остаются неясными, элементы физического механизма были выяснены. Белки репарации ошибочного спаривания (MMR), например, представляют собой хорошо известное регуляторное семейство белков, отвечающих за регулирование несовпадающих последовательностей ДНК во время репликации и регуляции ускользания. Оперативная цель MMR - восстановление родительского генотипа. В частности, один класс MMR, MutSβ, как известно, инициирует коррекцию несовпадений вставок-делеций длиной до 16 нуклеотидов. Мало что известно о процессе вырезания у эукариот, но при удалении E. coli происходит расщепление надреза на 5 'или 3' цепи, после чего ДНК-геликаза и ДНК-полимераза III связываются и генерируют одноцепочечные белки, которые расщепляются экзонуклеазами и прикрепляются к цепи лигазой. Множественные пути MMR вовлечены в поддержание стабильности сложного генома организма, и любая из многих возможных неисправностей в пути MMR приводит к ошибкам редактирования и исправления ДНК. Следовательно, хотя точно не известно, какие механизмы приводят к ошибкам негомологичного кроссовера, весьма вероятно, что задействован путь MMR.
