Рекомбинация - это процесс, который обеспечивает перемешивание генов в ряду поколений. При формировании половых клеток гены, полученные от родителей, “перетасовываются”, и в каждую гамету попадает только половина родительских генов. При оплодотворении гены двух родителей случайно комбинируются в зиготе. Сочетание этих двух случайных процессов - тасовки генов в генеративных клетках и встречи гамет - обеспечивает уникальность набора генов каждого организма.

Этот процесс был открыт в начале XX в. на основе анализа результатов скрещиваний. Сейчас в изучении рекомбинации используют весь арсенал современных методов молекулярной и клеточной биологии. И тем не менее процесс остается во многом загадочным. До сих пор идут бурные дебаты о том, зачем нужна рекомбинация. Непонятно, отчего она так сложно и, казалось бы, нелогично организована. Неясно, как распределяются по геному ее горячие и холодные точки. Попытаемся ответить на эти вопросы, рассмотрев рекомбинацию в свете эволюции.

Зачем нужна рекомбинация

Рекомбинация - главный генератор фенотипического разнообразия, того самого, с которым оперирует естественный отбор, тех отличий между организмами, которые играют решающую роль в их борьбе за существование. Мы привыкли думать, что эти различия определяются мутациями генов. Это и верно, и неверно одновременно.

Мутации меняют гены. Ген может быть неузнаваемо испорчен мутацией, изменен с сохранением функции (синонимически) или с ее потерей. Мы должны ясно понимать, что функция каждого гена определяется его взаимодействием с другими генами. Поэтому и функцию гена, и ее изменения следует рассматривать исключительно в рамках конкретного метаболического пути или регуляторной генной сети, в которых задействованы продукты этого гена. Бессмысленный или неверный ген из одной генной сети может приобрести новый, неожиданный смысл в другой; синоним в одном контексте оказаться антонимом в другом. Таким образом, мутации меняют фенотип не сами по себе, а в сочетании с другими генами.

Разнообразие фенотипов, которое мы наблюдаем, есть воплощенное разнообразие генных сочетаний. А поскольку рекомбинация обеспечивает постоянную генерацию все новых и новых сочетаний, мы имеем полное право назвать этот замечательный механизм генератором фенотипического разнообразия.

Рекомбинация, видимо, возникла одновременно или вскоре после появления жизни. Однако на первых порах она была робкой и спорадической. Такой она и остается в мире прокариот. Бактерии иногда входят в контакт друг с другом и обмениваются генетической информацией, чаще когда их жизнь становится хуже. Но из этого не следует, что рекомбинация непременно облегчает им жизнь, повышает их приспособленность. Она дает им шанс, надежду на то, что новая комбинация генов окажется полезной.

Регулярная, запланированная и обязательная рекомбинация появилась гораздо позже, одновременно или вскоре после возникновения эукариотических клеток. В пользу этого предположения свидетельствует тот факт, что у подавляющего большинства современных эукариот рекомбинация происходит регулярно, а ее молекулярные и клеточные механизмы у самых разных организмов поразительно сходны. Сходство мы обнаруживаем и в том, что у всех них рекомбинация так или иначе связана с размножением. У эукариот, в отличие от бактерий, результаты рекомбинации проявляются не у самих организмов, а у их потомков.

Если мы сравним размножение бесполых (не рекомбинирующих) и половых (регулярно рекомбинирующих) организмов, нам сразу бросится в глаза поразительная неэффективность последнего варианта размножения. Представим себе два острова. На одном живут самец и самка, способные к половому размножению и, следовательно, к рекомбинации. На другом - две самки, размножающиеся бесполым путем. Ограничим плодовитость и тех и других самок двумя потомками. После первого же цикла размножения на бесполом острове родится четыре потомка, а на половом - два. Если на половом острове оба родившихся детеныша будут одного пола, то на этом вся история закончится. Если на свет появятся самка и самец, то эта пара произведет еще двух потомков, а на бесполом острове их родится уже восемь. Таким образом, при заданных условиях численность популяции бесполого острова будет расти экспоненциально, а на половом она так и останется равной двум особям. Очевидно, что эффективность бесполого размножения значительно выше (рис.1).

Рис.1.

Почему же тогда у эукариот, как правило, размножение половое, а бесполое - лишь редкое исключение? Именно потому, что при половом размножении возможна рекомбинация. Но если организмы, размножающиеся половым путем, так значительно проигрывают бесполым в эффективности размножения, то рекомбинация должна давать им преимущества, с лихвой покрывающие этот гигантский проигрыш. В чем же они заключаются?

Вернемся на наши умозрительные острова. И на одном, и на другом острове в генеративных клетках их обитателей возникают мутации. Полностью защититься от мутаций в принципе невозможно, ведь с ними неизбежно сопряжено копирование ДНК. Большинство мутаций оказываются вредными. Парадоксально, но очень вредные мутации не так опасны для генофонда популяции, как не очень вредные. Очень вредные мутации несовместимы с жизнью, их носители немедленно выбраковываются, и, следовательно, такие мутации не накапливаются в генофонде. А не очень вредные передаются потомкам, затем у них возникают новые не очень вредные мутации, и в итоге генофонд бесполой популяции медленно, но верно деградирует (рис.2,а).

Рис.2.

Выдающийся генетик Герман Мёллер впервые обратил внимание на медленную, но неуклонную деградацию бесполого генофонда за счет последовательного накопления не очень вредных мутаций. Сейчас в научной литературе этот процесс называется храповиком Мёллера. Мёллер показал, что бесполые популяции, несмотря на давление мутационного процесса, могут поддерживать свое существование за счет очень высокой численности и сильного давления стабилизирующего отбора, благодаря которому носители даже не очень вредных мутаций быстро погибают, а их место занимают клоны, свободные от мутаций.

Однако у храповика Мёллера есть еще одна неприятная особенность. Чем больше у организма генов, тем больше он накапливает мутаций. Вероятность мутации одного гена приблизительно равна 10-5 на гамету за поколение. Это значит, что каждая вторая из 10 тыс. гамет, содержащих 5 тыс. генов (именно столько их у бактерий), несет одну новую мутацию. Если в гамете 30 тыс. генов, как у нас млекопитающих, то каждая из 10 тыс. гамет несет в среднем три новых мутаций. Отсюда третье условие, позволяющее виду жить с храповиком Мёллера, - малый размер генома и как следствие - относительная простота организации.

Мощное и радикальное средство борьбы с храповиком Мёллера - рекомбинация. Перетасовывая гены при образовании гамет, она может перегрузить мутациями одни гаметы и одновременно недогрузить другие. В итоге особи, возникшие из перегруженных мутациями гамет, погибают, а продукты гамет, очищенных от мутаций, процветают (рис.2,б). Это позволяет рекомбинирующим организмам избавиться от ограничений, накладываемых храповиком Мёллера. Они могут позволить себе роскошь иметь большие геномы. Отсюда получается, что все мы высшие и сложные оттого, что наши далекие одноклеточные предки открыли для себя рекомбинацию и создали механизмы, гарантирующие регулярную перетасовку генов из поколения в поколение.

Гипотеза Мёллера - не единственное объяснение преимуществ рекомбинации. Очень подробные обзоры гипотез о преимуществах рекомбинации даны в книгах Дж.Мэнард Смита и М.Ридли .

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Генетическая рекомбинация - это важный процесс реорганизации генетического материала, обусловленный обменом отдельными сегментами двойных спиралей ДНК, приводящее к возникновению новых комбинаций генов.

Генетическая рекомбинация - главный фактор непостоянства генома, основа большинства его изменений, обусловливающая естественный отбор, микро- и макроэволюции.

Рекомбинация может происходить путем обмена клеточными ядрами, целыми молекулами ДНК или частями молекул. В то время как процессы репликации и репарации ДНК обеспечивают воспроизведение и сохранение генетического материала, рекомбинация приводит к генетической изменчивости.

Она получила развитие у всех живых организмов: у эукариот, у бактерий и даже при размножении вирусов, в том числе таких, генетический материал которых состоит из РНК.

Перетасовка хромосом в мейозе, приводящая к огромному разнообразию гамет, случайность слияния гамет при оплодотворении, обмен частями между гомологичными хромосомами - все это (и далеко не только это) относится к рекомбинации.

Двойная спираль ДНК обычно не взаимодействует с другими сегментами ДНК, и в клетках разные хромосомы пространственно разделены в ядре. Это расстояние между разными хромосомами важно для способности ДНК действовать в качестве стабильного носителя информации. В процессе рекомбинации с помощью ферментов две спирали ДНК разрываются, обмениваются участками, после чего непрерывность спиралей восстанавливается.

Различают два основных типа генетической рекомбинации:

1) "законную" (общую, или гомологичную), при которой происходит обмен гомологичными (одинаковыми) участками молекул ДНК;

2) "незаконную" (негомологичную), в основе которой лежит обмен негомологичными участками ДНК.

Генетическую рекомбинацию называют сайт-специфичной, если обмен между разными молекулами ДНК осуществляется только в участках со строго определенными нуклеотидными последовательностями, если в любых местах молекулы ДНК - сайт-неспецифичной.

1 . Зак

Законная генетическая рекомбинация обычно сайт-неспецифична, хотя довольно часто у бактерий и высших организмов она может проявлять черты сайт-специфичности, т. е. избирательности к определенным нуклеотидным последовательностям ДНК (так называемые горячие точки рекомбинации). Такие последовательности резко повышают частоту рекомбинации в тех участках генома, в которых они локализованы.

Законная генетическая рекомбинация наблюдается, например, между двумя копиями какой-либо хромосомы. У эукариот (все организмы, за исключением бактерий и сине-зеленых водорослей) наиболее типичен обмен участками гомологичных хромосом в мейозе (деление клеток, в результате которого происходит уменьшение числа хромосом в дочерних клетках - основная стадия образования половых клеток). Этот обмен может происходить между плотно конъюгированными хромосомами на ранних стадиях развития яйца или сперматозоида. Реже - законная генетическая рекомбинация осуществляется при обычном делении клеток (с сохранением числа хромосом) - митозе.

У прокариот (бактерии и сине-зеленые водоросли), у которых отсутствует мейоз, а геном представлен только одной молекулой ДНК, законная генетическая рекомбинация сопряжена с такими естественными формами обмена и переноса генетического материала, как конъюгация (хромосомы из донорской клетки передаются в рециниентную через протоплазменный мостик-пиль), трансформация (ДНК проникает из среды через клеточную оболочку), трансдукция (передача ДНК осуществляется бактериофагом, или вирусом бактерий). У вирусов генетическая рекомбинация происходит при заражении ими клеток. После лизиса клетки обнаруживаются вирусы с рекомбинантными ДНК. У прокариот рекомбинацию генетическую осуществляют специальные клеточные белки (многие из них ферменты).

1.1 Гомологичная генетическая рекомбинация

В основе молекулярного механизма законной генетической рекомбинации лежит принцип "разрыв-воссоединение" двух гомологичных молекул ДНК. Этот процесс называют кроссинговер, он включает несколько промежуточных этапов:

1) узнавание участков;

2) разрыв и реципрокное (крест-накрест) воссоединение молекул: замена одних цепей гомологичными;

3) устранение ошибок, возникающих в результате неправильного спаривания участков.

Точка обмена может возникать на любом участке гомологичных нуклеотидных последовательностей хромосом, вовлекаемых в обмен. При этом в точке обмена обычно не происходит изменения нуклеотидных последовательностей. Точность разрыва и воссоединения чрезвычайно велика: ни один нуклеотид не утрачивается, не добавляется и не превращается в какой-нибудь другой.

Все, что говорилось о гомологии ДНК и комплементарности полинуклеотидных цепей, относится к гомологичной, или общей, рекомбинации, основанной на спаривании комплементарных цепей ДНК. От других типов рекомбинационных процессов ее отличают необходимость в общей (по всей длине молекул) гомологии между рекомбинирующими ДНК и участие большого набора специальных белков. Гомологичная рекомбинация начинается с возникновения в одном или обоих дуплексах участков из одиночных цепей ДНК, которые затем с помощью специальных белков находят комплементарные последовательности в гомологичном дуплексе и образуют с ними гетеродуплекс - ключевой промежуточный продукт (интермедиат) рекомбинации. Конечным результатом рекомбинации будет обмен равными частями гомологичных молекул

Из общей рекомбинации можно выделить как частный случай так называемую эктопическую рекомбинацию. Она заключается в обменах (кроссинговерах) между отдельными участками гомологичной ДНК, разбросанными по геному. К ним относятся разнообразные подвижные элементы, названные так за способность перемещаться по геному, гены транспортных и рибосомных РНК, гистонов и многие другие повторяющиеся последовательности (повторы) ДНК. Такая локальная гомологичная рекомбинация интересна прежде всего тем, что она может приводить к хромосомным перестройкам, хотя ее биологическая роль этим не исчерпывается. Это только часть возможных перестроек хромосом. Другие их типы могут возникать в зависимости от того, какова ориентация повторов ДНК по отношению друг к другу (прямая или обратная), и от того, где они расположены: внутри одной хромосомы, в сестринских хроматидах или разных хромосомах. Несмотря на то, что обмены происходят между локальными участками гомологии, эктопическая рекомбинация осуществляется в основном теми же белками, что и гомологичная.

1.2 Модель Холлидея

Рассмотрение гомологичной рекомбинации невозможно без общей модели кроссинговера, опубликованного в 1964 году американским генетиком Р. Холлидеем. Модель была формальной, без детализации молекулярных механизмов рекомбинационных реакций, она не рассматривала белки, их осуществляющие, поскольку в начале 60-х годов большинство из них не было известно. Но как раз в то время началось бурное развитие молекулярной генетики и случилось так, что новые экспериментальные результаты хорошо вписались в модель Холлидея, дополняя и уточняя ее. По существу история молекулярной генетики рекомбинации - это развитие модели Холлидея. Она разработана для мейотического кроссинговера. Напомним, что ядро мейотической клетки в профазе I содержит по четыре гомологичных хроматиды, но в каждом отдельном акте кроссинговера участвуют только две из них.

В принципе для того, чтобы гомологичные молекулы ДНК поменялись своими частями, сначала должны произойти разрывы во всех цепях обоих дуплексов, а уже потом - обмен цепями и замыкание разрывов. У Холлидея разрывы происходят не одновременно, а в два этапа. Рекомбинация начинается с первичных одноцепочечных разрывов фосфодиэфирных связей ДНК (их вносит фермент эндонуклеаза). Разрывы происходят в двух цепях одинаковой полярности. Холлидей также постулировал, что первичные разрывы возникают не в случайных, а в определенных сайтах ДНК. Впоследствии эта идея получила экспериментальное подтверждение.

Далее от точек первичных разрывов происходит обмен цепями между дуплексами, который приводит к образованию крестообразной структуры, получившей впоследствии название "полухиазма Холлидея". Такое название объясняется тем, что в полухиазме в обмен вовлечены только две цепи ДНК из четырех, что отличает ее от полной хиазмы - характерного продукта завершенного мейотического кроссинговера, давно известного биологам. Затем происходит очень важный процесс - перемещение точки перекреста цепей в полухиазме вдоль рекомбинирующих дуплексов. Такое явление описано под названием "миграция ветвления". Оно заключается в следующем: от точки перекреста цепей происходит расплетание исходных дуплексов и высвобождающиеся цепи тут же ренатурируют с комплементарными цепями из гомологичных дуплексов, что приводит к образованию и последующему удлинению гетеродуплекса (B / b). Именно в удлинении гетеродуплекса и заключается биологический смысл миграции ветвления. Ее осуществляют специальные ферменты. Размеры гетеродуплекса при мейотическом кроссинговере колеблются от нескольких сот до одной тысячи п.н., при рекомбинации в соматических клетках и клетках прокариот он еще протяженнее.

Гетеродуплекс сформирован. Образовавшаяся сложная разветвленная структура должна разделиться на гомологи. Это называется разрешением полухиазмы. Для разрешения необходимы еще два разрыва цепей: вторичные разрывы завершат обмен цепями. Но прежде чем это случится, полухиазма должна претерпеть еще одно превращение - изомеризацию. Изомеризация заключается в изменении структуры полухиазмы, которое происходит за счет обычного теплового движения молекул. Структуры в и в" идентичны. В структуре в" происходит один поворот на 180 любой пары дуплексных сегментов (плеч). Образовавшаяся структура может разрешиться двумя парами вторичных разрывов. Парные разрывы цепей одинаковой полярности 1-1 или 2-2 приводят к двум типам рекомбинантных хроматид: хроматиды первого типа содержат внутренний гетеродуплекс B / b, а по конфигурации фланговых маркеров А и С не отличаются от исходных (некроссоверные хроматиды); рекомбинантные хроматиды второго типа кроссоверные, они также содержат гетеродуплекс, но обмениваются частями по обе стороны от него. Оба типа продуктов рекомбинации равновероятны, что соответствует генетическим данным, на которые опирался Холлидей при создании своей модели.

Здесь необходимо сделать небольшое отступление по поводу одного важного процесса, происходящего в гетеродуплексе. Как уже указывалось, от исходных молекул в рекомбинационный гетеродуплекс могут войти разные аллели, и тогда в нем возникнут неспаренные основания, которые локально нарушат структуру двойной спирали ДНК. Эти нарушения узнаются специальными ферментными системами, работающими по типу эксцизионной репарации. Они проводят коррекцию неспаренных оснований в гетеродуплексе: удаляют неспаренное основание в одной цепи ДНК и застраивают образующуюся брешь по матрице другого аллеля в комплементарной цепи, тем самым превращая (конвертируя) один аллель в другой. Это явление было давно известно под названием "конверсия гена", но теперь мы знаем, что в ее основе лежит коррекция гетеродуплекса. Если гетерозиготная клетка A / a вступает в мейоз, то в норме среди продуктов мейоза оба аллеля гена A будут представлены в равном соотношении: 2A: 2a. Однако если в районе хромосомы, где расположен ген A, произойдет кроссинговер, то сформируется гетеродуплекс A / a с локально неспаренными основаниями, что может привести к конверсии гена A: расщепление аллелей гена среди продуктов мейоза будет 3A: 1a или 1A: 3a. Расщепление по генам, расположенным вне участка кроссинговера, сохранит нормальное соотношение аллелей 2: 2. Мы видели при разборе модели Холлидея, что содержащие гетеродуплекс продукты рекомбинации с кроссинговером и без кроссинговера по внешним генам равновероятны, иными словами, конверсия гена в мейозе может одинаково часто сопровождаться и не сопровождаться обменом по внешним генам. Этот факт был основным среди упомянутых выше генетических данных, опираясь на которые Холлидей создавал свою модель.

Модель Холлидея симметрична: первичные разрывы возникают одновременно в обоих гомологах и обмен цепями происходит синхронно. Однако имеются генетические данные об асимметричных обменах, полученные, в частности, на дрожжах. В этих случаях первичный разрыв возникает только в одном дуплексе, затем от точки разрыва отделяется одна цепь ДНК, которая внедряется в гомологичный дуплекс и в ходе последующей миграции ветвления вытесняет из него цепь той же полярности. После этого обмен превращается в симметричный.

Модель Холлидея в ее современном виде общепризнанна и универсальна для прокариот и эукариот (и для половых, и для соматических клеток). Ее достоинством является тот факт, что она хорошо проверяется генетическими данными, и практически все ее этапы постепенно нашли экспериментальное подтверждение. Полухиазмы Холлидея хорошо видны под электронным микроскопом. Обнаружены специальные эндонуклеазы (их называют резолвазами), которые осуществляют разрешение полухиазмы. К настоящему времени такие резолвазы обнаружены у бактериофагов T4 и T7, E. coli, дрожжей и человека. У E. coli выявлены также белки, осуществляющие миграцию ветвления полухиазмы.

2. Незак онная генетическая рекомбинация

Изначально, термин незаконная рекомбинация был определен Франклином как рекомбинация между последовательностями с небольшими участками гомологии или не имеющими гомологии вообще.

В настоящее время имеет смысл принять более широкое определение, которое исключает рекомбинационные события, являющиеся результатом нормальной или законной транспозиционной деятельности или деятельности специализированных рекомбинационных систем (например, инсерция и высвобождение ДНК). Франклин рассматривал, что незаконная рекомбинация может быть следствием ошибок в белках, ответственных за разрезание и сшивание или репликацию ДНК.

Незаконная генетическая рекомбинация имеет выраженный локальный характер. В этом случае весь процесс с его начальным этапом узнавания, который сводит вместе две спирали ДНК, направляется особым рекомбинационным ферментом; спаривания оснований здесь не требуется (даже в тех случаях, когда это все-таки происходит, в процессе участвует не более несколько пар оснований). Интеграция транспозонов, плазмид и умеренных фагов в бактериальный геном может служить примером генетическая рекомбинация этого типа. Подобный механизм существует также и в эукариотических клетках.

При незаконной генетической рекомбинации в обмен вступают короткие специфические нуклеотидные последовательности одной или обеих спиралей ДНК, участвующих в этом процессе. Таким образом такая генетическая рекомбинация изменяет распределение нуклеотидных последовательностей в геноме - соединяются участки ДНК, которые до этого не располагались в непрерывной последовательности рядом друг с другом. Подобный обмен гетерологическими участками ДНК приводит к возникновению вставок, делеций, дупликаций и транслокаций генетического материала.

У эукариот перемещения разных генетических элементов, сопряженные с незаконной генетическая рекомбинация, осуществляются преим. не в мейозе, когда контактируют парные хромосомы. а во время обычных клеточных циклов (митозе). Незаконная генетическая рекомбинация играет важную роль в эволюционной изменчивости, т. к. благодаря ей осуществляются самые разнообразные, нередко кардинальные, перестройки генома и, следовательно, создаются предпосылки для качеств. изменений в эволюции данного организма.

3. Сайт-специфич еская генетическая рекомбинация

В 1962 г. А. Кэмпбелл, исследуя интеграцию генома фага X в хромосому Е. coli, обнаружил, что встраивание происходит водном, строго определенном сайте бактериальной хромосомы. Это наблюдение положило начато изучению механизмов рекомбинации между молекулами ДНК с низким уровнем гомологии или с полным ее отсутствием. Различают два типа сайт-специфической рекомбинации: двойную, или собственно сайт-специфическую (оба рекомбинирующих дуплекса ДНК несут последовательности, специфично распознаваемые ферментами рекомбинации), и одиночную (такие последовательности находятся только в одном из дуплексов ДНК), называемую незаконной. Различия между сайт-специфической и незаконной рекомбинацией не четкие и связаны со степенью сходства нуклеотидных последовательностей, участвующих в данном процессе.

Обязательное условие сайт-специфической рекомбинации - наличие короткого (около 10 п.н.) участка гомологии у двух взаимодействующих молекул ДНК. Процесс обеспечения специфическими ферментами - рекомбиназами, распознающими области гомологии и катализирующими обмен генетическим материалом. Эти ферменты могут быть подразделены на две основные группы: топоизомеразы (Хег, Сrе, Int/Xis) и резольвазы (Tn-резольвазы, инвертазы).

В результате сайт-специфической рекомбинации образуются два типа продуктов. Если рекомбинирующие участки ориентированы противоположно (АВ и ВА), то рекомбинантный сегмент окажется инвертированным. Если же сайты рекомбинации ориентированы в одном направлении (АВ и АВ), результатом обмена будет делеция вышеназванного сегмента и образование кольцевой молекулы из оставшейся ДНК. Иначе говоря, рекомбинация инвертированных повторов порождает инверсию участка гомологии, а прямых - его делецию.

Редкий, если не единственный, но зато жизненно важный пример сайт-специфической рекомбинации у многоклеточных животных - перестройки в последовательностях ДНК, кодирующих иммуноглобулины, - белковые молекулы, распознающие тот или иной антиген при иммунном ответе у позвоночных.

4. Транспозиции

гомологичный генетический рекомбинация транспозиция

Рекомбинационные процессы еще одного типа - транспозиции лежат в основе перемещений подвижных генетических элементов. Подвижные элементы - это особые последовательности ДНК, способные, как это следует из их названия, к перемещениям из одного участка молекулы ДНК (хромосомы или плазмиды) в другой, или в другую молекулу в той же клетке, или даже в клетки другого организма. Они широко распространены как у прокариот, так и у эукариот и при этом отличаются высоким разнообразием. Подвижные элементы, как правило, не существуют автономно, и для них характерно нахождение в составе хромосом или плазмид. В большинстве своем подвижные элементы прокариот и эукариот построены по сходному плану и состоят из центральной части, фланкированной концевыми обращенными повторами.

Транспозиции осуществляются особыми белками, ген (или гены) которых в основном локализован в самих подвижных элементах, в их центральной части. Главный белок транспозиции - транспозаза. Рекомбинация между подвижным элементом и той ДНК, в которую он будет встраиваться (ее называют ДНК-мишенью), происходит на уровне дуплексов, не имеющих, как и в случае сайт-специфической рекомбинации, пресинаптических фиксированных повреждений. Поскольку рекомбинация происходит точно по концам подвижного элемента, транспозиции можно рассматривать как сайт-специфический процесс, но только в отношении самого элемента, так как встраивание элементов в ДНК-мишень чаще всего происходит в случайные сайты. Важно отметить, что сколько-нибудь заметная гомология между подвижным элементом и ДНК-мишенью отсутствует.

5 . Биологическое зна чение генетической рекомбинации

Очевидным результатом рекомбинации генетического материала в мейозе и полового размножения в целом является производство генотипически неоднородного потомства. Нередко подразумевается, что в этом и заключается функция генетических рекомбинаций. Согласно такому взгляду, половое размножение - адаптация к вариабельности внешних условий в последовательных поколениях.

Это объяснение значения рекомбинации было подвергнуто всестороннему анализу Мейнардом Смитом. Главный результат этого анализа - вывод, что естественный отбор мог бы обеспечить преимущество половому размножению только в случае весьма маловероятных постоянных перемен в условиях внешней среды, когда в каждом поколении требовались бы новые генотипы, характеризующиеся высокой приспособленностью.

Считающееся классическим объяснение функции генетических рекомбинаций, данное Фишером и независимо от него Меллером, указывает на значение не генотипического разнообразия вообще, а объединения в одном геноме каких-либо двух независимо возникших благоприятных мутаций.

Установлено, что для выявления преимуществ генетических рекомбинаций в концепции Фишера-Меллера большое значение могли бы иметь периодические сокращения численности популяции, т. е. условия генетического дрейфа. В этом случае рекомбинация обеспечивает объединение благоприятных аллелей разного происхождения на фоне пониженной (в условиях дрейфа) вероятности возникновения двух или нескольких благоприятных мутаций в одном геноме.

Очевидно, что объединение полезных мутаций, возникающих в разных особях популяции, в отсутствие рекомбинаций невозможно. Фелсенстейн трактует эту ситуацию, как рекомбинационный дисбаланс, или неравновесность «по сцеплению». Таким образом, генетические рекомбинации устраняют неравновесность «по сцеплению» (точнее по комбинированию) благоприятных мутаций, возникающих у разных особей популяции.

Аналогичное рассуждение Фелсенстейн применил также к процессу «бесконечного» накопления вредных мутаций в бесполых генерациях, известному как «храповик Меллера». Генетические рекомбинации останавливают «обороты» храповика Меллера, тоже как бы устраняя рекомбинационный дисбаланс, но на этот раз в отношении неблагоприятных мутаций: если в популяции в результате дрейфа каждая особь содержит хотя бы одну неблагоприятную мутацию, то подобная «неравновесность» устраняется в результате появления рекомбинантных форм, не содержащих неблагоприятных мутаций.

В концепции Фишера-Меллера преимущество полового размножения реализуется через так называемый групповой отбор, который проявляется как выживание в эволюции популяций и видов, обладающих половым размножением, и соответственно как вымирание видов, теряющих способность к половому размножению.

Но в рамках изложенного выше представления о том, что генетические рекомбинации могли бы способствовать объединению благоприятных мутаций и препятствовать распространению вредных мутаций, устраняя неравновесность популяции «по сцеплению», были предложены модели, в которых индивидуальный отбор также направлен на повышение частоты рекомбинаций. В этих моделях две сцепленные благоприятные мутации препятствуют отбору друг друга в соответствии с эффектом Хилла-Робертсона. В том случае, если имеется третий сцепленный ген, обусловливающий рекомбинацию благоприятных аллелей, этот ген с высокой вероятностью наследуется рекомбинантами, у которых происходит объединение благоприятных аллелей.

Подобный механизм отбора в отношении гена, влияющего на рекомбинацию, известен под названием «попутного транспорта» или «бесплатного проезда». Как отмечает Мейнард Смит, модели, основанные на механизме «попутного транспорта», объясняя полезность какого-то уровня рекомбинации, не объясняют, почему реально в природе наблюдается высокий уровень частоты рекомбинаций.

Следует заметить, что большинство популяционно-генетических работ еще находится на уровне представлений об эволюционном процессе, сложившихся в 20-е годы нашего века. Согласно этим представлениям, эволюция (прогрессивная) представляет собой непрерывный процесс накопления благоприятных мутаций, повышающих приспособленность организмов. В подобном представлении об эволюции генетическим рекомбинациям, очевидно, вообще нет места, что, собственно, и объясняет не очень успешные попытки отыскать им «применение».

Между тем, рекомбинациям принадлежит центральная роль в прогрессивной эволюции, по ходу прогрессивной эволюции принципиально различные виды отбора закономерно сменяют друг друга.

В основе упомянутой модели лежит представление о цикличности эволюционных преобразований. В следующих друг за другом эволюционных циклах каждый очередной цикл инициируется появлением «перспективной» гибридной формы, характеризующейся, тем не менее, понижением общей приспособленности (плодовитости и жизнеспособности) из-за физиологического дисбаланса, вызванного аутбридингом. Отсюда отбор на первой стадии эволюционного цикла в самом деле направлен на повышение приспособленности и на «приобретение» соответствующих мутаций в каждом поколении.

Однако если в результате отбора на повышение общей приспособленности будет превзойден некоторый пороговый уровень, то возникают условия внутривидовой конкуренции за источники питания. На этом этапе отбор на более эффективную утилизацию пищевых ресурсов неизбежно сопряжен с постепенным сужением экологического потенциала в отдельных подвидах и расах, что ведет к их дивергенции. Особенностью действия отбора на данном этапе является то, что каждый шаг на пути дальнейшей специализации подвидов или рас инициируется выживанием определенной мутантной формы, характеризующейся общим понижением приспособленности.

Наконец, на заключительном этапе цикла на фоне общего кризиса, вызванного недостатком пищевых ресурсов, происходит взаимодействие дивергировавших рас и образование путем рекомбинации очередной перспективной гибридной формы, соединяющей в себе экологический потенциал родительских рас.

Заключение

Мы рассмотрели далеко не все примеры рекомбинационных систем, ведущих к перестройкам в генетическом материале. Их много, и их роль разнообразна. Как и в случае гомологичной рекомбинации, процессы, основанные на негомологичной рекомбинации, играют большую роль в эволюции, но их функции проявляются особенно значимо в онтогенезе как прокариотических, так и эукариотических организмов. Сайт-специфическая рекомбинация играет ключевую роль в жизненных циклах умеренных бактериофагов.

Биологическая роль транспозиций и лежащих в их основе подвижных генетических элементов огромна. Подвижные элементы достигли большого разнообразия и распространились среди представителей всех систематических групп живого мира. У некоторых организмов они составляют существенную часть генетического материала: у дрозофилы и человека на их долю приходится, по оценкам разных исследователей, 5-10% геномной ДНК. Зачем нужно столько "лишней" ДНК, пока непонятно. В качестве частичного объяснения можно предполагать, что избыточная ДНК является материалом для эволюции. Полностью биологическая роль подвижных элементов будет выяснена нескоро.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Понятие и общее описание механизма рекомбинации генов, классификация и типы форм его реализации: общей и сайт-специфической. Особенности взаимодействий, обусловленных спариванием оснований между комплементарными цепями гомологичных спиралей ДНК.

курсовая работа , добавлен 18.10.2013


Выявление параллелизма в поведении генов и хромосом в ходе формирования гамет и оплодотворения. Понятие генетической рекомбинации, исследование явления на дрозофилах, проведенное Т. Морганом. Основные положения хромосомной теории наследственности.

презентация , добавлен 28.12.2011


История открытия основных свойств генетических систем: репликации, рекомбинации и репарации. Биохимические исследования экспрессии и регуляции эукариотических генов. Введение новой генетической информации в клетки. Основные принципы клонирования.

реферат , добавлен 27.07.2009


Мейоз как один из ключевых механизмов наследственности и изменчивости. Биологическое значение мейоза: поддержание постоянства кариотипа в ряду поколений, обеспечение рекомбинации хромосом и генов. Законы Грегора Менделя как основа классической генетики.

презентация , добавлен 15.04.2014


презентация , добавлен 28.12.2011


Механизм эволюции прокариотического и эукариотического геномов. Свойства, отбор и динамика рисунка локализации мобильных генетических элементов. Роль мобильных генетических элементов и горизонтального переноса генетического материала в эволюции генома.

курсовая работа , добавлен 30.09.2009


История, цели и основы генетической инженерии; биоэтические аспекты. Группы генетических заболеваний, их диагностика и лечение. Применение генетической инженерии в медицинской практике: генные вакцины, генотерапия, производство лекарственных препаратов.

реферат , добавлен 26.10.2011


Наследственность и генетические рекомбинации у бактерий. Химический состав, размножение и особенности питания бактериальной клетки. Ферменты микроорганизмов. Мутация, молекулярные изменения в хромосоме. Деление стафилококка путем врастания перегородок.

презентация , добавлен 23.02.2014


Изменчивость (биологическая)- разнообразие признаков и свойств у особей и групп особей любой степени родства, ее формы. Генетическая рекомбинация и трансформация. Изменчивость фагов и микроорганизмов. Практическое применение изменчивости микроорганизмов.

реферат , добавлен 26.12.2013


Задачи физиологии микроорганизмов. Анализ химического состава бактериальной клетки. Особенности и механизмы питания аутотрофных и гетеротрофных бактерий, их ферменты, процесс дыхания и размножения. Наследственность и генетические рекомбинации у бактерий.

Общая рекомбинация при согласованном внесении разрывов и воссоединении цепей двух спиралей ДНК с образованием протяженных гетеродуплексных областей. Чтобы могла произойти рекомбинация между двойными спиралями, представленная на, каждая из четырех цепей должна быть разорвана и затем соединена с новым партнером. Соответствующие цепи обоих линейных гомологичных дуплексов ДНК надрезаются и свободные концы одной спирали спариваются с комплементарными участками другой. Перекрест стабилизируется сшиванием концов донорных цепей со свободными концами реципиентных спиралей. Точка перекреста обменивающихся цепей перемещается вдоль спиралей – процесс, называемый миграцией ветви (е). При этом происходит одновременное расхождение цепей исходных спиралей и их реассоциация с новыми партнерами с образованием дочерних дуплексов. Структуры д и е, а также ж называются структурами Холлидея по имени исследователя, впервые их
предложившего. Структуры Холлидея могут переходить в рекомбинантные двойные спирали путем внесения разрыва и воссоединения цепей двумя альтернативными способами. Один способ состоит в разрезании и воссоединении перекрещивающихся цепей. Два реципрокных продукта л и м могут образоваться, если разрыв и последующее воссоединение цепей произойдут в точке перекреста в структурах е и д или по линии пересечения четырех цепей в изомерной структуре Холлидея и. Размер обменивающихся фрагментов зависит от расстояния, на которое произошла миграция ветви до акта рекомбинации. Альтернативные продукты н и о образуются в том случае, если структура Холлидея з переходит в результате разрыва в к. В основе рекомбинации данного типа лежит гомологичное спаривание цепей, принадлежащих двум разным спиралям ДНК, поэтому скорее всего она произойдет в том месте, где такое спаривание возможно a priori и где гомологичность последова тельностей достаточно велика, чтобы могла произойти миграция
ветви в рамках структуры со скрестившимися цепями. Отсюда можно понять, почему общая, или гомологичная, рекомбинация происходит также между двумя повторами в пределах одной молекулы ДНК или между аллельными и неаллельными элементами одной и той же последовательности в двух разных хромосомах.
В ходе миграции ветви при спаривании цепей,принадлежащих разным спиралям, образуются гетеродуплексы. В таких гетеродуплексах в пределах сегмента между сайтом начала образования структуры Холлидея и сайтом кроссинговера может содержаться по одному или более ошибочно спаренных оснований. Они удаляются так же, как любые модифицированные основания при репарации ДНК. Однако, поскольку удалено может быть любое из ошибочно спаренных оснований, в обеих рекомбинантных спиралях в данном сайте могут оказаться одинаковые пары оснований, т.е. рекомбинация для этого сайта окажется нереципрокной. Таким образом, каждая из рекомбинантных спиралей может быть похожа на любой
из начальных дуплексов в тех позициях, где исходно они различались.

Общая рекомбинация с образованием двухцепочечного разрыва.
Альтернативный механизм общей рекомбинации включает образование двухцепочечного разрыва в одном из дуплексов-партнеров. Далее с помощью экзонуклеаз в месте разрыва образуется брешь. При спаривании 3"-одноцепочечного конца бреши с комплементарной цепью интактной спирали в последней образуется петля. Размер этой петли увеличивается по мере того, как ДНК-полимераза наращивает 3"-конец «вклинившейся» цепи. В итоге другой одноцепочечный конец бреши спаривается с комплементарной последовательностью в перемещающейся петле. В результате такого спаривания образуется система «праймер матрица», и ДНК-полимераза синтезирует недостающую цепь, заполняя брешь. Лигирование двух растущих концов с исходными цепями приводит к образованию двойной структуры Холлидея (т.е. структуры, в которой две спирали объединены двумя перекрестами,
по одному на каждом конце бреши). Миграция ветви в одном или обоих перекрестах передвигает оба места сцепления в любом направлении, при этом в участках, фланкирующих брешь, могут возникать ошибки. Разделение таких структур может идти двумя способами – с перекрестом и без него, с образованием четырех дуплексов.
Необходимо отметить некоторые особенности этого механизма. Образование ошибочных пар (гетеродуплексов) в районах, фланкирующих брешь, обусловливает получение как реципрокных, так и нереципрокных рекомбинаций между генетическими маркерами. Если двухцепочечный разрыв происходит вблизи (или в пределах) участка, где между спиралями имеются различия (замены оснований, делеции, вставки, инверсии и т.п.), то рекомбинанты унаследуют нуклеотидную последовательность
партнера, у которого разрыва не происходило. Этот механизм объясняет многие случаи генной конверсии, особенно те, в которых протяженная последовательность одного дуплекса замещается соответствующей, но отличающейся последовательностью другого
дуплекса.
Нереципрокная общая рекомбинация используется и при репарации некоторых повреждений ДНК. Например, если тиминовые димеры не были удалены из УФ-облученной ДНК до того, как к ним подошла репликативная вилка, то синтез комплементарной цепи в этом участке не может быть завершен. Поскольку тиминовые димеры, находящиеся напротив бреши, не могут быть вы-
щеплены, остается один путь для спасения хроматиды – использовать генетическую информацию гомологичной сестринской хроматиды и заполнить брешь. Для этого применяется такой же механизм, как для репарации брешей.
в.

Ферменты, участвующие в общей рекомбинации.

В общей рекомбинации участвуют два специфических фермента и еще несколько ферментов, катализирующих также процессы репликации и репарации ДНК. Энзимология общей рекомбинации изучена только для некоторых прокариотических организмов, в частности E. coli и ее фагов. Один из специфических ферментов, необходимых для успешной гомологичной рекомбинации, называется recА-белком.
Он катализирует обмен одиночными цепями, используя энергию гидролиза АТР до ADP и неорганического фосфата. RecA-зависимое внедрение одноцепочечных ДНК в дуплекс – первый этап рекомбинационного процесса в рамках обеих схем Холлидея и механизма с образованием двухцепочечных разрывов. Второй фермент, состоящий из трех отдельных субъединиц (В, С и D) и поэтому называемый recBCD-нуклеазой, обладает эндо- и экзонуклеазной, а также геликазной активностями. Механизм его действия до конца не установлен, однако известно, что
recBCD-нуклеаза индуцирует разрывы в дуплексной ДНК и благодаря присущей ей геликазной активности вместе с recА инициирует рекомбинационный.
Идентифицирован также фермент, разрезающий узлы в структурах Холлидея; при его участии образуются липкие концы, соединяемые лигазой. В общей рекомбинации участвуют также геликазы и белки, связывающиеся с одноцепочечной ДНК
(SSB; от англ. single strand binding); оба они необходимы для обеспечения процесса миграции ветви.

Как известно, перемещению цепей во время миграции ветви способствует Pol I, а в воссоединенииразорванных цепей участвует ДНК-лигаза. Для снятия топологических ограничений при раскручивании спирали и для раcпутывания перекрученных структур, по-видимому, нужны топоизомераза типа I и, возможно, гираза.

Гомологичная рекомбинация в репарации ДНК

Быстро делящиеся бактериальные клетки, содержащие несколько репликонов, образованных недореплицированными хромосомами, более устойчивы к действию ионизирующей радиации, которая индуцирует двухцепочечные разрывы ДНК, чем клетки с небольшим числом репликонов, находящиеся в стационарной фазе.
Гаплоидные клетки дрожжей в фазе G 1 перед началом синтеза ДНК чрезвычайно чувствительны к действию ионизирующей радиации, тогда как те же клетки в фазе G 2 перед митозом так же устойчивы к ионизирующему излучению, как и диплоидные клетки.
Эти факты указывают на то, что для эффективного исправления
повреждений, вызываемых ионизирующей радиацией, необходимо одновременное присутствие в клетке двух гомологичных молекул ДНК.

рис.1 Одна из моделей объясняющих репарацию двуцепочечных разрывов .
Процесс репарации условно разделяется на три этапа:
1. Пресинаптическая фаза - происходит внесение двухцепочечного разрыва в ДНК или, при его наличии, сразу осуществляется нуклеазное расщепление концов разрыва. В создании одноцепочечных 3’-OH-выступающих концов ДНК в месте разрыва принимает участие белок RecBCD, который обладает как геликазной, так и экзонуклеазной активностями. RecBCD расплетает двухцепочечную молекулу ДНК в месте разрыва и гидролизует одну из цепей в направлении 5’>3’, оставляя выступающий одноцепочечный участок.
2. Синаптическая фаза - происходит синапсис гомологичных участков двух молекул ДНК с вхождением комплементарного
одноцепочечного участка в ДНК-дуплекс и последующим репаративным синтезом ДНК. Поиск гомологичных участков и обмен цепями, необходимые для рекомбинации, происходят с участием белка RecA.
3. Постсинаптическая фаза - образовавшиеся структуры Холидея разделяются с помощью белков RuvA, -B и -C, RecG, а также белков SOS-системы репарации (RecN, UvrD, RecF и RecJ). Похожие механизмы используются клетками для рекомбинационной репарации одноцепочечных брешей, остающихся в молекулах ДНК из-за блокировки репликативного синтеза ДНК модифицированными нуклеотидами.

Многие продукты генов E. coli и дрожжей, участвующие в рекомбинационной репарации повреждений ДНК, имеют гомологи у животных и человека. Отличительной особенностью эукариотической рекомбинации и репарации является вхождение соответствующих белков в многочисленные белковые комплексы, в частности транскриптосомы и реплисомы, что
указывает на их важную роль в матричном биосинтезе нуклеиновых кислот эукариотических клеток.

РЕКОМБИНАЦИЯ

РЕКОМБИНАЦИЯ (от ре... и позднелат. combinatio - соединение) (генетич.), перераспределение генетич. материала родителей в потомстве, приводящее к наследственной комбинативной изменчивости живых организмов. В случае несцепленных генов (лежащих в разных хромосомах; см. Сцепление генов) это перераспределение может осуществляться при свободном комбинировании хромосом в мейозе, а в случае сцепленных генов - обычно путём перекреста хромосом - кроссинговера. Р.- универсальный биологич. механизм, свойственный всем живым системам - от вирусов до высших растений, животных и человека. Вместе с тем в зависимости от уровня организации живой системы процесс Р. имеет ряд особенностей. Проще всего Р. происходит у вирусов: при совместном заражении клетки родственными вирусами, различающимися одним или несколькими признаками, после лизиса клетки обнаруживаются не только исходные вирусные частицы, но и возникающие с определённой средней частотой частицы-рекомбинанты с новыми сочетаниями генов. У бактерий существует неск. процессов, заканчивающихся Р.: конъюгация, т. е. объединение двух бактериальных клеток протоплазменным мостиком и передача хромосомы из донорской клетки в реципиентную, после чего происходит замена отд. участков хромосомы реципиента на соответствующие фрагменты донора; трансформация - передача признаков молекулами ДНК, проникающими из среды сквозь клеточную оболочку; трансдукция - передача генетич. вещества от бактерии-донора к бактерии-реципиенту, осуществляемая бактериофагом. У высших организмов Р. происходит в мейозе при образовании гамет: гомологичные хромосомы сближаются и устанавливаются бок о бок с большой точностью (т. н. синапсис), затем происходит разрыв хромосом в строго гомологичных точках и перевоссоединение фрагментов крест-накрест (кроссинговер). Результат Р. обнаруживается по новым сочетаниям признаков у потомства. Вероятность кроссинговера между двумя точками хромосом приблизительно пропорциональна физич. расстоянию между этими точками. Это даёт возможность на основании экспериментальных данных по Р. строить генетические карты хромосом, т. е. графически располагать гены в линейном порядке в соответствии с их расположением в хромосомах, и притом в определённом масштабе. Молекулярный механизм Р. детально не изучен, однако установлено, что ферментативные системы, обеспечивающие Р., принимают участие и в таком важнейшем процессе, как исправление повреждений, возникающих в генетич. материале (ей. Репарация генетическая). После синапсиса вступает в действие эндонуклеаза - фермент, осуществляющий первичные разрывы в цепях ДНК. По-видимому, эти разрывы у мн. организмов происходят в структурно детерминированных участках-рекомбинаторах. Далее происходит обмен двойными или одинарными цепями ДНК и в заключение спец. синтетич. ферменты- ДНК-полимеразы - заполняют бреши в цепях, а фермент лигаза замыкает последние ковалентные связи. Ферменты эти выделены и изучены лишь у нек-рых бактерий, что позволило приблизиться к созданию модели P. in vitro (в пробирке). Одно из важнейших следствий Р.- образование реципрокного потомства (т. е. при наличии двух аллельных форм генов АВ и ав должны получиться два продукта Р.- Ав и аВ в равных кол-вах). Принцип реципрокности соблюдается, когда Р. происходит между достаточно удалёнными точками хромосомы. При внутригенной Р. это правило часто нарушается. Последнее явление, изученное гл. обр. на низших грибах, наз. генной конверсией. Эволюционное значение Р. заключается в том, что благоприятными для организма часто оказываются не отд. мутации, а их комбинации. Однако одноврем. возникновение в одной клетке благоприятного сочетания из двух мутаций маловероятно. В результате Р. осуществляется сочетание мутаций, принадлежащих двум независимым организмам, и тем самым ускоряется эволюционный процесс.

Генетическая рекомбинация включает несколько связанных между собой процессов, в результате которых в клетках или организмах, где они происходят, создаются новые комбинации элементов носителей генетической информации. Рекомбинация между близко расположенными гомологичными хромосомами приводит к интенсивной перетасовке отцовских и материнских генов в ходе мейоза и тем самым создает предпосылки для эволюционной проверки новых комбинаций этих генов в потомстве. Как правило, рекомбинационные события, происходящие в соматических клетках либо во время репликации ДНК, либо после нее и проявляющиеся в виде обмена сестринских хроматид, не приводят к изменению генотипа или фенотипа клетки. Однако нередко они порождают различные геномные перестройки. Это, например, утрата, приобретение или амплификация генетических элементов и установление новых взаимосвязей между уже имеющимися, но по-новому расположенными элементами.

Если использовать молекулярные термины, то можно сказать, что генетическая рекомбинация состоит в образовании ковалентных связей между нуклеотидными последовательностями из разных областей одной и той же или разных молекул ДНК.

Все клетки и многие вирусы содержат информацию о синтезе ферментов, предназначенных не только для репарации повреждений в собственной ДНК, но и ферментов, осуществляющих рекомбинацию. На самом деле некоторые ферменты, участвующие в репликации и репарации ДНК, играют ключевую роль и при рекомбинации. В этом разделе мы рассмотрим механизмы некоторых рекомбинационных процессов и ферменты, которые их катализируют. Особое внимание будет обращено на рекомбинацию у бактерий и фагов, поскольку у них эти процессы довольно хорошо изучены. Несмотря на то что генетические и морфологические аспекты рекомбинации в эукариотических клетках известны, на молекулярном уровне здесь многое остается неясным.

Типы рекомбинации

Существуют три типа рекомбинации: общая, или гомологичная, сайт-специфическая и случайная, или негомологичная.

Общая рекомбинация. Общая рекомбинация происходит, как правило, между протяженными участками идентичных или гомологичных нуклеотидных последовательностей. Ее часто называют гомологичной рекомбинацией или кроссинговером. При общей рекомбинации происходит разрыв двух гомологичных участков ДНК, и каждый из концов одного сегмента соединяется с соответствующими концами другого таким образом, что обе образующиеся молекулы содержат разные фрагменты обеих участвующих в рекомбинации ДНК. На самом деле сайты, по которым происходят разрыв и воссоединение каждой из двух цепей, очень часто не совпадают.

Обычно общая рекомбинация происходит между гомологичными и аллельными участками разных молекул ДНК, но она может произойти и между гомологичными, но неаллельными областями ре-комбинирующих молекул. В этом случае один из продуктов рекомбинации утрачивает часть ДНК, а другой приобретает "лишний" сегмент. Такой процесс получил название неравного кроссинговера. Иногда рекомбинация происходит между неаллельными участками одной и той же хромосомы с соответствующей потерей области, лежащей между сайтами рекомбинации. В отличие от уже рассмотренных случаев некоторые рекомбинационные события нереципрокны; как следствие, один из образовавшихся продуктов идентичен одной из исходных молекул, а другой отличается от обоих партнеров. Такой процесс часто называется генной конверсией.

Сайт-специфическая рекомбинация. Рекомбинация называется сайт-специфической, если сайты разрыва и воссоединения в двух рекомбинирующих молекулах или двух фрагментах одной и той же молекулы ДНК находятся в пределах довольно коротких специфических гомологичных нуклеотидных последовательностей — как правило, не более 25 нуклеотидов. Такие короткие последовательности может иметь только один из партнеров или оба. В качестве примера первого варианта можно привести транспозиции некоторых мобильных элементов у эу — и прокариот, а второго — процесс интеграции-выщепления ДНК фага X из хромосомы Е. coli. С помощью сайт-специфической рекомбинации происходят запрограммированные перестройки хромосомной ДНК при смене типов спаривания у дрожжей; она ответственна также за разнообразие антител. По-видимому, общая рекомбинация между любыми парами гомологичных последовательностей осуществляется с помощью одного и того же комплекса ферментов; с другой стороны, для каждого случая сайт-специфической рекомбинации необходим свой набор ферментов. Негомологичная рекомбинация. Рекомбинация между негомологичными нуклеотидными последовательностями происходит в клетках прокариот и дрожжей достаточно редко, а в клетках млекопитающих — весьма часто. К негомологичной рекомбинации можно отнести процесс случайного встраивания вирусной или плазмидной ДНК в ДНК клеток животных, в результате чего в реплицирующихся геномах паповавирусов появляется множество делеций и дупликаций. Концы разорванной ДНК могут соединиться, даже если они негомологичны. В некоторых случаях рекомбинация происходит между последовательностями, содержащими несколько гомологичных пар оснований, или между короткими частично гомологичными участками. Но, как правило, рекомбинирующие сегменты не имеют гомологичных последовательностей.

Общая рекомбинация между гомологичными молекулами ДНК

Общая рекомбинация при согласованном внесении разрывов и воссоединении цепей двух спиралей ДНК с образованием протяженных гетеродуплексных областей. Чтобы могла произойти рекомбинация между двойными спиралями, каждая из четырех цепей должна быть разорвана и затем соединена с новым партнером. Соответствующие цепи обоих линейных гомологичных дуплексов ДНК надрезаются и свободные концы одной спирали спариваются с комплементарными участками другой. Перекрест стабилизируется сшиванием концов донорных цепей со свободными концами реципиентных спиралей. Точка перекреста обменивающихся цепей перемещается вдоль спиралей — процесс, называемый миграцией ветви. При этом происходит одновременное расхождение цепей исходных спиралей и их реассоциация с новыми партнерами с образованием дочерних дуплексов. Структуры дие, а также ж называются структурами Холлидея по имени исследователя, впервые их предложившего.

Структуры Холлидея могут переходить в рекомбинантные двойные спирали путем внесения разрыва и воссоединения цепей двумя альтернативными способами. Один способ состоит в разрезании и воссоединении перекрещивающихся цепей. Два реципрокных продукта л и м могут образоваться, если разрыв и последующее воссоединение цепей произойдут в точке перекреста в структурах е и д или по линии пересечения четырех цепей в изомерной структуре Холлидея и. Размер обменивающихся фрагментов зависит от расстояния, на которое произошла миграция ветви до акта рекомбинации. Альтернативные продукты н и о образуются в том случае, если структура Холлидея з переходит в результате разрыва в к.

В основе рекомбинации данного типа лежит гомологичное спаривание цепей, принадлежащих двум разным спиралям ДНК, поэтому скорее всего она произойдет в том месте, где такое спаривание возможно a priori и где гомологичность последовательностей достаточно велика, чтобы могла произойти миграция ветви в рамках структуры со скрестившимися цепями. Отсюда можно понять, почему общая, или гомологичная, рекомбинация происходит также между двумя повторами в пределах одной молекулы ДНК или между аллельными и неаллельными элементами одной и той же последовательности в двух разных хромосомах.

В ходе миграции ветви при спаривании цепей, принадлежащих разным спиралям, образуются гетеродуплексы . В таких гетеродуплексах в пределах сегмента между сайтом начала образования структуры Холлидея и сайтом кроссинговера может содержаться по одному или более ошибочно спаренных оснований. Они удаляются так же, как любые модифицированные основания при репарации ДНК. Однако, поскольку удалено может быть любое из ошибочно спаренных оснований, в обеих рекомбинантных спиралях в данном сайте могут оказаться одинаковые пары оснований, т.е. рекомбинация для этого сайта окажется нереципрокной. Таким образом, каждая из рекомбинантных спиралей может быть похожа на любой из начальных дуплексов в тех позициях, где исходно они различались.

Общая рекомбинация с образованием двухцепочечного разрыва. Альтернативный механизм общей рекомбинации включает образование двухцепочечного разрыва в одном из дуплексов-партнеров. Далее с помощью экзонуклеаз в месте разрыва образуется брешь. При спаривании 3′-одноцепочечного конца бреши с комплементарной цепью интактной спирали в последней образуется петля. Размер этой петли увеличивается по мере того, как ДНК-полимераза наращивает 3′-конец "вклинившейся" цепи. В итоге другой одноцепочечный конец бреши спаривается с комплементарной последовательностью в перемещающейся петле. В результате такого спаривания образуется система "праймер-матрица", и ДНК-полимераза синтезирует недостающую цепь, заполняя брешь. Лигирование двух растущих концов с исходными цепями приводит к образованию двойной структуры Холлидея. Миграция ветви в одном или обоих перекрестах передвигает оба места сцепления в любом направлении, при этом в участках, фланкирующих брешь, могут возникать ошибки. Разделение таких структур может идти двумя способами — с перекрестом и без него, с образованием четырех дуплексов.

Необходимо отметить некоторые особенности этого механизма. Образование ошибочных пар в районах, фланкирующих брешь, обусловливает получение как реципрокных, так и нереципрокных рекомбинаций между генетическими маркерами. Если двухцепочечный разрыв происходит вблизи участка, где между спиралями имеются различия, то рекомбинанты унаследуют нуклеотидную последовательность партнера, у которого разрыва не происходило. Этот механизм объясняет многие случаи генной конверсии, особенно те, в которых протяженная последовательность одного дуплекса замещается соответствующей, но отличающейся последовательностью другого дуплекса.

Нереципрокная общая рекомбинация используется и при репарации некоторых повреждений ДНК. Например, если тиминовые димеры не были удалены из УФ-облученной ДНК до того, как к ним подошла репликативная вилка, то синтез комплементарной цепи в этом участке не может быть завершен. Поскольку тиминовые димеры, находящиеся напротив бреши, не могут быть выщеплены, остается один путь для спасения хроматиды — использовать генетическую информацию гомологичной сестринской хроматиды и заполнить брешь. Для этого применяется такой же механизм, как для репарации брешей.

Ферменты, участвующие в общей рекомбинации

В общей рекомбинации участвуют два специфических фермента и еще несколько ферментов, катализирующих также процессы репликации и репарации ДНК. Энзимология общей рекомбинации изучена только для некоторых прокариотических организмов, в частности E. coli и ее фагов. Один из специфических ферментов, необходимых для успешной гомологичной рекомбинации, называется recA-белком. Он катализирует обмен одиночными цепями, используя энергию гидролиза АТР до ADP и неорганического фосфата. RecA-зависимое внедрение одноцепочечных ДНК в дуплекс — первый этап рекомбинационного процесса в рамках обеих схем Холлидея и механизма с образованием двухцепочечных разрывов. Второй фермент, состоящий из трех отдельных субъединиц и поэтому называемый recBCD-нуклеазой, обладает эндо — и экзонуклеазной, а также геликазной активностями. Механизм его действия до конца не установлен, однако известно, что recBCD-нуклеаза индуцирует разрывы в дуплексной ДНК и благодаря присущей ей геликазной активности вместе с recA инициирует рекомбинационный процесс. Идентифицирован также фермент, разрезающий узлы в структурах Холлидея; при его участии образуются липкие концы, соединяемые лигазой.

В общей рекомбинации участвуют также геликазы и белки, связывающиеся с одноцепочечной ДНК; оба они необходимы для обеспечения процесса миграции ветви. Как известно, перемещению цепей во время миграции ветви способствует Pol I, а в воссоединении разорванных цепей участвует ДНК-лигаза. Для снятия топологических ограничений при раскручивании спирали и для распутывания перекрученных структур, по-видимому, нужны топоизомераза типа I и, возможно, гираза.

Сайт-специфическая рекомбинация

Сайт-специфическая рекомбинация происходит между специфическими сегментами дуплексов ДНК, не имеющими протяженных гомологичных участков. Характерным примером такой рекомбинации служит интеграция кольцевой ДНК фага X с хромосомой Е. coli и ее обратное выщепление. Несмотря на то что эти рекомбинационные события также включают разрыв и воссоединение двух спиральных сегментов ДНК, их механизм абсолютно отличен от механизма общей рекомбинации. В этом случае рекомбинация происходит в пределах специфической нуклеотидной последовательности ДНК фага X и уникальной последовательности ДНК Е. coli. Нуклеотидные последовательности attP — и attВ-сайтов совершенно различны, хотя имеют общее ядро протяженностью в 15 нуклеотидных пар. AttP простирается на 150 нуклеотидов влево и на 75 нуклеотидов вправо от общего ядра, a attB — это сегмент длиной всего около 25 нуклеотидов, включая и ядро. Рекомбинационные события, происходящие как при интеграции, так и при исключении ДНК фага X из хромосомы Е. coli.

Поскольку нуклеотидные последовательности, фланкирующие attP — и а?? В-сайты слева и справа, для этих сайтов различаются, механизм рекомбинационного выщепления ДНК фага X из ДНК Е. coli должен отличаться от механизма их рекомбинационной интеграции. И действительно, для рекомбинации между attL и attR при исключении фаговой ДНК помимо белка Int необходимы фаговый белок xis и клеточный белок HF. Процесс рекомбинационного выщепления, по-видимому, имеет некоторое сходство с процессом интеграции, но роль указанных трех белков, особенно белка xis, все еще изучается.

Генетическая рекомбинация включает несколько связанных между собой процессов, в результате которых в клетках или организмах, где они происходят, создаются новые комбинации элементов - носителей генетической информации. Чаще всего мы говорим о рекомбинации при описании процесса кроссинговера, во время которого рекомбинация между гомологичными хромосомами приводит к интенсивной перетасовке отцовских и материнских генов в ходе мейоза.

Рекомбинация может происходить и в соматических клетках, где она проявляется обычно в виде обменов сестринских хроматид, которые не приводят к изменению генотипа или фенотипа клетки. Это связано с тем, что рекомбинация происходит между взаимно соответствующими парами оснований, так что ни один нуклеотид не добавляется и не удаля-ется из рекомбинантных хромосом. Также рекомбинация бывает часто вовлечена и в процессы репарации.

Существуют три типа рекомбинации: 1) общая, или гомологическая, 2) сайт-специфическая, 3) случайная, или негомологичная.

Рекомбинация, включающая обмены между гомологичными последовательностями ДНК, называется общей или гомологической рекомбинацией, и именно она будет главным предметом нашего интереса, так как именно гомологическая рекомбинация ДНК вовлечена в различные репаративные процессы.

Рекомбинация (биология)

Подробное ее описание будет дано ниже, а пока остановимся кратко на двух других типах рекомбинации, происходящей 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.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Читайте также:

Перераспределение (перекомбинирование) генетического материала родителей, в результате чего у потомков появляются новые сочетания генов, определяющие новые сочетания признаков. Другими словами, сочетание признаков у потомков никогда не повторяет сочетания признаков ни одного из родителей. Рекомбинация - основа комбинативной изменчивости, обеспечивающей бесконечное разнообразие особей внутри вида и неповторимость каждой из них.

РЕКОМБИНАЦИЯ

У эукариотических организмов, размножающихся половым путём, рекомбинация происходит в мейозе при независимом расхождении хромосом и при обмене гомологичными участками между гомологичными хромосомами (кроссинговере). Возможна и т. н. незаконная рекомбинация, когда структурные перестройки затрагивают негомологичные хромосомы. Рекомбинации бывают и в половых, и, гораздо реже, в соматических клетках. У прокариот (бактерий) и у вирусов существуют специальные механизмы обмена генами. Таким образом, рекомбинации - универсальный способ повышения генотипической изменчивости у всех организмов, создающий материал для естественного отбора. См. также изменчивость, Менделя законы.

При гомологичной рекомбинации в процессе раз-рыва и воссоединения ДНК происходит обмен меж-ду участками ДНК, обладающими высокой степенью гомологии. Гомологичная рекомбинация происхо-дит через образование промежуточного соединения, в котором осуществляется комп-лементарное спаривание между одноцепочечными участками, принадлежащими разным родительским молекулам ДНК. Процесс гомологичной рекомби-нации находится под контролем генов, объединенных в REC-систему, состоящую из генов recA,B,C,D. Продукты этих генов производят расплетание нитей ДНК и их переориентацию с образованием структу-ры Холидея, а также разрезают структуру Холидея для завершения процесса рекомбинации.

Сайт-специфическая рекомбинация

Происходит в определенных участках генома и не требует высокой степени гомологии ДНК. Этот тип рекомбинации не зависит от функционирования генов rec A,B,C,D. Примером этого типа рекомби-нации является встраивание плазмиды в хромосому бактерий, которое происходит между идентичными IS-элементами хромосомы и плазмиды, интеграция ДНК фага в хромосому Е. coli. Сайт-специфическая рекомбинация, происходящая в пределах одного репликона, участвует также в переключении активности генов. Например, у сальмонелл следствием этого процесса являются фазовые вариации жгути-кового Н-антигена.

Незаконная или репликативная рекомбинация

Незаконная или репликативная рекомбинация не зависит от функционирования генов rec A,B,C,D. Примером ее является транспозиция подвижных ге-нетических элементов по репликону или между репликонами, при этом, как уже было отмечено, транспозиция подвижного генетического эле-мента сопровождается репликацией ДНК.

Передача генетической информации у бактерий

Рекомбинация у бактерий является конечным эта-пом передачи генетического материала между бакте-риями , которая осуществляется тремя механизмами : конъюгацией (при контакте бактерий, одна из кото-рых несет конъюгативную плазмиду), трансдукцией (при помощи бактериофага), трансформацией (при помощи высокополимеризованной ДНК).

Конъюгация

Передача генетического материала от клетки-донора в клетку-реципи-ент путем непосредственного контакта клеток называется конъюгацией .

Передача генетического материала от клет-ки-донора в клетку-реципи-ент впервые была обнаружена Дж. Ледербергом и Э. Тейтумом в 1946 г.

Необходимым условием для конъюгации является наличие в клетке-доноре транс-миссивной плазмиды .

Трансмиссивные плазмиды кодируют по-ловые пили, образующие конъюгационную трубочку между клеткой-донором и клеткой-реципиентом, по которой плазмидная ДНК передается в новую клетку.

Фактор плодовитости (F), или половой фактор был открыт у кишечной палочки ещё в 1968 г. Было установлено, что после смешивания двух различных штаммов бактерий F+ иF- происходит рекомбинация бактериальных признаков. F+ — это «мужской» или донорский генетический материал, а F- — «женский» или реципиентный. В настоящее время известно, когда вступают в контакт клетки F+ иF -, при этом могут осуществляться два совершенно разных процесса : в одних случаях передавать только фактор плодовитости, F-фактор, в других, переносить часть генетического материала донорской клетки в клетку-реципиент.

Первый процесс , когда сам F -фактор способен переходить из бактерий F+ в бактерию F-, превращая её в клетку F+ (клетка становится донором), но никакого переноса генов, локализованных в хромосоме, при этом не происходит.

Второй процесс , это когда из донорской клетки в реципиентную может переходить часть (редко вся) хромосомы.

Для осуществления второго процесса, однако, необходимо, чтобы F -фактор сначала включился в бактериальную хромосому хозяина. Бактерии в таком состоянии обозначаются Hfr (высокая частота рекомбинации). Встроенный в хромосому F -фактор способен вызывать перенос бактериальной хромосомы в клетку F- , где затем может происходить рекомбинация бактериальных генов. Обычно процесс прерывается до того, как успевает перейти целая хромосома донорской клетки. Более того, та часть F -фактора, которая ответственна за перенос, находится у дистального конца переносимой хромосомы и обычно остается в донорской клетке. Из-за того, что F -фактор может встраиваться в хромосому клетки, его называют эписомой . Однако не все плазмиды обладают свойствами эписом, т.к. не все способны встраиваться в бактериальные хромосомы.

Перенос генетического материала детерминируется tra-опероном F -плазмиды (от англ. transfer – перенос). Механизм пере-дачи плазмидной ДНК из клетки в клетку заключается в том, что специальный белок, кодируемый tra-опероном , «узнает» опреде-ленную последовательность в ДНК плазмиды, называемую origin – начало переноса, англ. (О-ген ), вносит в эту последовательность одноцепочечный разрыв и ковалентно связывается с 5′-концом. Затем цепь ДНК, с которой связан белок, переносится в клетку-реципи-ент, а неразорванная комплементарная цепь остается в клетке-доноре. Таким образом, при конъюгации передается только одна цепь ДНК -донора. Клеточный аппарат синтеза ДНК достраивает одиночные цепи и в доноре и в реципиенте до двухцепочечной структуры.

Белок, связанный с 5′-концом пе-ренесенной цепи, способствует замыканию плазмиды в реципиентной клетке в кольцо. Этот процесс представлен на рисункена примере переноса в реципиентную клетку плазмиды F (fertility – плодовитость, англ.), которая является как трансмиссивной , так и интегративной плазмидой. Клетки-доноры, обладающие F -фактором, обозначаются как Р+ -клетки, а клетки-реципиенты, не имею-щие F-фактора, обозначаются как F- -клетки. Если F-фактор находится в клетке-доноре в автономном состоянии, то в результате скре-щивания: F+ × F- клетка-реципиент приобре-тает донорские свойства (см. рис. 5.4, 1А).

Если F -фактор или другая трансмиссивная плазмида встраиваются в хромосому клетки-донора, то плазмида и хромосома начинают функционировать в виде единого трансмис-сивного репликона , что делает возможным пе-ренос бактериальных генов в бесплазмидную клетку-реципиент, т. е. процесс конъюгации. Штаммы, в которых плазмида находится в интегрированном состоянии, переносят свои хромосомные гены бесплазмидным клеткам с высокой частотой и поэтому называются Hfr (от англ. high frequency of recombination – высо-кая частота рекомбинации).

Процесс переноса хромосомных генов в слу-чае скрещивания: Hfr×F- всегда начинается с расщепления ДНК в одной и той же точке, месте интеграции F- фактора или другой транс-миссивной плазмиды. Одна нить донорской ДНК передается через конъюгационный мос-тик в реципиентную клетку . Процесс сопро-вождается достраиванием комплементарной нити до образования двунитевой структуры. Перенос хромосомных генов при конъюга-ции всегда имеет одинаковую направленность, противоположную встроенной плазмиде. Сама трансмиссивная плазмида передается послед-ней .

Переданная в реципиентную клетку и достроенная до двунитевой структуры нить ДНК донора рекомбинирует с гомологичным участ-ком реципиентной ДНК с образованием стабильной генетической структуры.

Конъюгационный мостик непрочен, он легко разрывается, не нарушая жизнеспособности конъюгирующих клеток. Соответственно в процессе передачи может нарушаться целостность передаваемой хромосомы. Все это объясняет чрезвычайно редкую передачу фактора F от Hfr-бактерий к F –клеткам, так как для этого необходимо приобретение реципиентом как начального, так и конечного участка хромосомы донора.

Обычно Hfr-штаммы передают с высокой частотой не всю хромосому, а лишь близколежащие к О -точке гены. Путем включения F- фактора в различные участки хромосомы получены разнообразные Hfr- штаммы, различающиеся по локализации О -точек и направлению передачи хромосомы.

Т.о, вследствие хрупкости конъюгационного мостика половой фактор F редко передается в клетку-реципиент, Поэтому образовавшийся рекомбинант донор-скими функциями, как правило, не обладает.

Вследствие направленности передачи генов ко-нъюгация используется для картирования генома бактерий и построения генетической карты.

Трансдукция

Передача генетического материала от одних бактерий другим с помощью фагов называется трансдукцией . Трансдуцирующий фаг – это в своем роде «трамвай», т.к. внутри своей белковой оболочки он перевозит «безбилетного пассажира» — часть ДНК из предыдущего фага хозяина и вводит эту ДНК таким же образом, как и свою собственную ДНК, в чувствительную к фагу бактериальную клетку.

Главным признаком процессов трансдукции является способность некоторых созревающих фаговых частиц (созревание происходит спонтанно, либо в результате индукции) захватывать ограниченный участок генома бактерии-хозяина и переносить его в родственную клетку , чувствительную к этому фагу. Свойством переносить генетический материал от бактерий доноров к бактериям реципиентов обладают умеренные фаги и их мутанты.

Трансдукцией называют передачу бактериальной ДНК посредством бактериофага .

Этот процесс был открыт в 1951 г. Н.Циндером и Дж. Ледербергом.

Значение слова РЕКОМБИНАЦИЯ в Энциклопедии Биология

В процессе репликации фага внутри бактерий фрагмент бактериальной ДНК проникает в фаговую частицу и переносится в реципиен-тную бактерию во время фаговой инфекции. Существует три типа трансдукции:

общая трансдукция (или не специфическая ) – перенос бактериофа-гом фрагмента любой части бактериальной хромосомы – происходит вследствие того, что бактериальная ДНК фрагментируется после фаговой инфекции и кусочек бактериальной ДНК того же размера, что и фаговая ДНК, проникает в вирусную, формируя дефектную фаговую частицу с частотой приблизительно 1 на 1000 фаговых частиц. При инфицировании клетки-реципиента дефек-тной фаговой частицей ДНК клетки-донора «впрыскивается» в нее и рекомбинирует го-мологичной рекомбинацией с гомологичным участком хромосомы-реципиента с образова-нием стабильного рекомбинанта. Этим типом трансдукции обладают Р -фаги;

специфическая трансдукция – наблюдается в том случае, когда фаговая ДНК интегрирует в бактериальную хромосому с образованием профага. В процессе исключения

ДНК-фага из бактериальной хромосомы в результате случайного процесса захватывается приле-гающий к месту включения фаговой ДНК фрагмент бактериальной хромосомы, стано-вясь дефектным фагом. Так как большинство умеренных бактериофагов интегрирует в бактериальную хромосому в специфических участках, для таких бакте-риофагов характерен перенос в клетку-ре-ципиент определенного участка бактериаль-ной ДНК клетки-донора. ДНК дефектного фага рекомбинирует с ДНК клетки-реципи-ента сайт-специфической рекомбинацией. В частности, бактериофаг передает специфической трансдукцией gal -ген у Е. coli.

абортивная трансдукция – привнесенный фагом фрагмент ДНК бактерии-донора не включается в хромосому бактерии-реципиента, а располагается в её цитоплазме и может в таком виде функционировать. Во время деления бактериальной клетки трансдуцированный фрагмент ДНК-донора может передаваться только одной из двух дочерних клеток, т.е. наследоваться однолинейно и в конечном итоге утрачиваться в потомстве.

Трансдукция обнаружена у E.coli , B. subtilis , сальмонелл, холерного вибриона и др. Передаются самые различные свойства бактерий: устойчивость к антибиотикам, синтез факторов роста, сбраживание углеводов, синтез пенициллиназы и др.

⇐ Предыдущая1234

Дата публикования: 2014-12-10; Прочитано: 871 | Нарушение авторского права страницы

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2018 год.(0.003 с)…