Rekombinaatio on prosessi, joka varmistaa geenien sekoittumisen useiden sukupolvien ajan. Sukusolujen muodostumisen aikana vanhemmilta saadut geenit ”sekoittuvat”, ja vain puolet vanhempien geeneistä tulee jokaiseen sukusoluun. Hedelmöityksen aikana kahden vanhemman geenit yhdistetään satunnaisesti tsygootissa. Näiden kahden satunnaisen prosessin yhdistelmä - geenien sekoittuminen generatiivisissa soluissa ja sukusolujen kohtaaminen - varmistaa kunkin organismin geenijoukon ainutlaatuisuuden.

Tämä prosessi havaittiin 1900-luvun alussa. ylitysten tulosten analyysin perusteella. Nyt tutkimuksessa rekombinaatio, koko arsenaali nykyaikaisia ​​menetelmiä molekyyli-ja solu biologia. Ja silti prosessi on suurelta osin mystinen. Tähän asti on käyty kiivasta keskustelua siitä, miksi rekombinaatiota tarvitaan. Ei ole selvää, miksi se on niin monimutkainen ja näennäisesti epäloogiselta järjestetty. On epäselvää, kuinka sen kuumat ja kylmät kohdat jakautuvat genomiin. Yritetään vastata näihin kysymyksiin tarkastelemalla rekombinaatiota evoluution valossa.

Miksi rekombinaatiota tarvitaan?

Rekombinaatio on fenotyyppisen monimuotoisuuden päägeneraattori, juuri se, jonka kanssa luonnonvalinta toimii, eliöiden väliset erot, joilla on ratkaiseva rooli heidän olemassaolotaistelussaan. Meillä on tapana ajatella, että nämä erot määräytyvät geenimutaatioista. Tämä on totta ja tarua samaan aikaan.

Mutaatiot muuttavat geenejä. Geeni voi olla tunnistamattomasti korruptoitunut mutaatiolla, muuttaa funktion säilyttämiseksi (synonyymi) tai menettää sen. Meidän on ymmärrettävä selvästi, että kunkin geenin toiminnan määrää sen vuorovaikutus muiden geenien kanssa. Siksi sekä geenin toimintaa että sen muutoksia tulisi tarkastella yksinomaan spesifisen kehyksen puitteissa metabolinen reitti tai säätelygeeniverkosto, jossa tämän geenin tuotteet ovat mukana. Yhden geeniverkoston merkityksetön tai virheellinen geeni voi saada uuden, odottamattoman merkityksen toisessa; synonyymi yhdessä yhteydessä olla antonyymi toisessa. Siten mutaatiot eivät muuta fenotyyppiä itsestään, vaan yhdessä muiden geenien kanssa.

Havaitsemamme fenotyyppien monimuotoisuus on geeniyhdistelmien ruumiillistuma. Ja koska rekombinaatio varmistaa jatkuvasti uusien ja uusien yhdistelmien syntymisen, meillä on täysi oikeus kutsua tätä upeaa mekanismia fenotyyppisen monimuotoisuuden generaattoriksi.

Rekombinaatio näyttää syntyneen samanaikaisesti tai pian elämän ilmaantumisen jälkeen. Aluksi hän oli kuitenkin arka ja satunnainen. Ja niin se pysyy prokaryoottien maailmassa. Bakteerit joutuvat joskus kosketuksiin toistensa kanssa ja vaihtavat geneettistä tietoa, useammin, kun heidän elämänsä huononee. Mutta tästä ei seuraa, että rekombinaatio varmasti helpottaisi heidän elämäänsä, lisää heidän sopeutumiskykyään. Se antaa heille mahdollisuuden, toivoa, että uusi geeniyhdistelmä on hyödyllinen.

Säännöllinen, suunniteltu ja pakollinen rekombinaatio ilmestyi paljon myöhemmin, samanaikaisesti tai pian eukaryoottisolujen ilmaantumisen jälkeen. Tätä oletusta tukee se tosiasia, että suurimmassa osassa nykyaikaisia ​​eukaryootteja rekombinaatio tapahtuu säännöllisesti ja sen molekyyli- ja solumekanismit useimmissa erilaisia ​​organismeja hämmästyttävän samanlainen. Löydämme yhtäläisyyksiä myös siinä, että niissä kaikissa rekombinaatio liittyy jotenkin lisääntymiseen. Eukaryooteissa, toisin kuin bakteereissa, rekombinaation tulokset eivät näy itse organismeissa, vaan niiden jälkeläisissä.

Jos vertaamme aseksuaalisten (ei-rekombinoituvien) ja sukupuolisten (säännöllisesti rekombinoituvien) organismien lisääntymistä, hämmästymme välittömästi jälkimmäisen lisääntymismuodon hämmästyttävästä tehottomuudesta. Kuvittele kaksi saarta. Yhdessä elävät uros ja naaras, jotka kykenevät lisääntymään seksuaalisesti ja siten rekombinoitumaan. Toisaalta kaksi naarasta lisääntyy aseksuaalisesti. Rajataan molempien naaraiden hedelmällisyys kahteen jälkeläiseen. Ensimmäisen jalostusjakson jälkeen sukupuolittomalle saarelle syntyy neljä jälkeläistä ja sukupuolisaarelle kaksi. Jos seksisaarella molemmat syntyneet pennut ovat samaa sukupuolta, koko tarina päättyy siihen. Jos syntyy naaras ja uros, tämä pari tuottaa vielä kaksi jälkeläistä, joista kahdeksan syntyy sukupuolittomalla saarella. Siten sukupuolettoman saaren populaatio kasvaa tietyissä olosuhteissa eksponentiaalisesti, kun taas seksuaalisella saarella se pysyy kahden yksilön suuruisena. Ilmeisesti suvuttoman lisääntymisen tehokkuus on paljon korkeampi (kuva 1).

Kuva 1.

Miksi sitten eukaryooteissa yleensä seksuaalinen lisääntyminen ja aseksuaalinen - vain harvinainen poikkeus? Juuri siksi, että rekombinaatio on mahdollista seksuaalisen lisääntymisen aikana. Mutta jos sukupuolisesti lisääntyvät organismit ovat lisääntymisteholtaan niin merkittävästi huonompia kuin suvuttomat, niin rekombinaation pitäisi antaa niille etuja, jotka enemmän kuin kattavat tämän jättimäisen menetyksen. Mitä ne ovat?

Palataan spekulatiivisille saarillemme. Ja yhdellä ja toisella saarella mutaatioita tapahtuu niiden asukkaiden generatiivisissa soluissa. Periaatteessa on mahdotonta täysin suojautua mutaatioilta, koska DNA-kopiointi liittyy väistämättä niihin. Useimmat mutaatiot ovat haitallisia. Paradoksaalista kyllä, erittäin haitalliset mutaatiot eivät ole yhtä vaarallisia populaation geenipoolille kuin ei kovin haitalliset. Erittäin haitalliset mutaatiot ovat yhteensopimattomia elämän kanssa, niiden kantajat hylätään välittömästi, ja siksi tällaiset mutaatiot eivät kerry geenipooliin. Ja ei kovin haitalliset siirtyvät jälkeläisilleen, jolloin niissä on uusia ei kovin haitallisia mutaatioita, ja seurauksena aseksuaalisen populaation geenipooli hajoaa hitaasti mutta varmasti (kuva 2, a).

Kuva 2.

Erinomainen geneetikko Hermann Möller kiinnitti ensimmäisenä huomion aseksuaalisen geenipoolin hitaaseen mutta tasaiseen hajoamiseen, joka johtuu ei kovin haitallisten mutaatioiden jatkuvasta kertymisestä. Juuri nyt sisään tieteellistä kirjallisuutta tätä prosessia kutsutaan Möllerin räikkäksi. Møller osoitti, että aseksuaaliset populaatiot voivat mutaatioprosessin paineista huolimatta säilyttää olemassaolonsa erittäin suuren lukumäärän ja voimakkaan stabiloivan selektion paineen vuoksi, minkä vuoksi jopa ei kovin haitallisten mutaatioiden kantajat kuolevat nopeasti ja mutaatioista vapaat kloonit ottavat omansa. paikka.

Möller-räikkäällä on kuitenkin toinen epämiellyttävä ominaisuus. Mitä enemmän geenejä organismilla on, sitä enemmän mutaatioita se kerää. Yhden geenin mutaation todennäköisyys on noin 10-5 per sukupuoli sukupolvea kohden. Tämä tarkoittaa, että joka toinen 10 000 sukusolusta, jotka sisältävät 5 000 geeniä (niin monta niistä on bakteereissa), sisältää yhden uuden mutaation. Jos sukusolussa on 30 000 geeniä, kuten meillä on nisäkkäissä, jokainen 10 000 sukusolusta sisältää keskimäärin kolme uutta mutaatiota. Tästä syystä kolmas ehto, joka sallii lajin elää Möllerin räikkärin kanssa, on genomin pieni koko ja sen seurauksena organisoinnin suhteellinen yksinkertaisuus.

Tehokas ja radikaali tapa taistella Möllerin räikkää vastaan ​​on rekombinaatio. Sekoittamalla geenejä sukusolujen muodostumisen aikana se voi ylikuormittaa joitain sukusoluja mutaatioilla ja samalla alikuormittaa muita. Tämän seurauksena yksilöt, jotka ovat syntyneet mutaatioilla ylikuormitetuista sukusoluista, kuolevat ja mutaatioista puhdistettujen sukusolujen tuotteet kukoistavat (kuva 2b). Näin yhdistyvät organismit pääsevät eroon Möller-räikkärajan asettamista rajoituksista. Heillä on se ylellisyys, että heillä on suuret genomit. Tästä seuraa, että olemme kaikki korkeampia ja monimutkaisempia, koska kaukaiset yksisoluiset esi-isämme löysivät rekombinaation ja loivat mekanismeja, jotka takaavat geenien säännöllisen sekoittumisen sukupolvelta toiselle.

Möllerin hypoteesi ei ole ainoa selitys rekombinaation eduille. Erittäin yksityiskohtaiset arvostelut hypoteeseja rekombinaation eduista esitetään J. Manard Smithin ja M. Ridleyn kirjoissa.

Lähetä hyvä työsi tietokanta on yksinkertainen. Käytä alla olevaa lomaketta

Opiskelijat, jatko-opiskelijat, nuoret tutkijat, jotka käyttävät tietopohjaa opinnoissaan ja työssään, ovat sinulle erittäin kiitollisia.

Lähetetty http://www.allbest.ru/

Johdanto

Geneettinen rekombinaatio on tärkeä geneettisen materiaalin uudelleenjärjestelyprosessi, joka johtuu DNA:n kaksoiskierteiden yksittäisten segmenttien vaihdosta, mikä johtaa uusien geeniyhdistelmien syntymiseen.

Geneettinen rekombinaatio on tärkein tekijä genomin epäjohdonmukaisuudessa, useimpien sen muutosten perusta, joka määrää luonnollisen valinnan, mikro- ja makroevoluution.

Rekombinaatio voi tapahtua vaihtamalla soluytimiä, kokonaisia ​​DNA-molekyylejä tai molekyylien osia. Vaikka DNA:n replikaatio- ja korjausprosessit varmistavat geneettisen materiaalin lisääntymisen ja säilymisen, rekombinaatio johtaa geneettiseen vaihteluun.

Se on kehitetty kaikissa elävissä organismeissa: eukaryooteissa, bakteereissa ja jopa virusten lisääntymisen aikana, mukaan lukien ne, joiden geneettinen materiaali koostuu RNA:sta.

Kromosomien sekoittuminen meioosissa, mikä johtaa valtavaan eri sukusoluihin, sukusolujen satunnainen fuusio hedelmöityksen aikana, osien vaihto homologiset kromosomit- kaikki tämä (eikä vain tämä) viittaa rekombinaatioon.

DNA:n kaksoiskierre ei normaalisti ole vuorovaikutuksessa muiden DNA-segmenttien kanssa, ja soluissa eri kromosomit ovat avaruudellisesti erotettu tumassa. Tämä eri kromosomien välinen etäisyys on tärkeä DNA:n kyvylle toimia vakaana tiedon kantajana. Entsyymien avulla tapahtuvassa rekombinaatioprosessissa kaksi DNA-juostetta katkeaa, vaihtaa osia, minkä jälkeen säikeiden jatkuvuus palautuu.

Geneettistä rekombinaatiota on kaksi päätyyppiä:

1) "laillinen" (yleinen tai homologinen), jossa DNA-molekyylien homologisia (identtisiä) osia vaihdetaan;

2) "laiton" (ei-homologinen), joka perustuu ei-homologisten DNA-alueiden vaihtoon.

Geneettistä rekombinaatiota kutsutaan paikkaspesifiseksi, jos vaihto eri DNA-molekyylien välillä tapahtuu vain alueilla, joilla on tiukasti määritellyt nukleotidisekvenssit, jos se on jossain DNA-molekyylin kohdissa paikka-epäspesifistä.

1 . Zach

Laillinen geneettinen rekombinaatio on yleensä paikka-epäspesifistä, vaikka se voi usein bakteereissa ja korkeammissa organismeissa osoittaa paikkaspesifisyyden piirteitä, eli selektiivisyyttä tietyille DNA-nukleotidisekvensseille (ns. rekombinaatiopisteet). Sellaiset sekvenssit lisäävät jyrkästi rekombinaation frekvenssiä niillä genomin alueilla, joissa ne sijaitsevat.

Laillinen geneettinen rekombinaatio tapahtuu esimerkiksi kahden kromosomin kopion välillä. Eukaryooteissa (kaikki organismit, lukuun ottamatta bakteereja ja sinileviä) tyypillisin homologisten kromosomien osien vaihto meioosissa (solun jakautuminen, mikä johtaa kromosomien määrän vähenemiseen tytärsoluissa - päävaihe sukusolujen muodostumisessa). Tämä vaihto voi tapahtua tiukasti konjugoituneiden kromosomien välillä munasolun tai siittiön kehityksen alkuvaiheessa. Harvemmin laillinen geneettinen rekombinaatio suoritetaan normaalin solunjakautumisen aikana (säilyttäen kromosomien lukumäärää) - mitoosin.

Prokaryooteissa (bakteerit ja sinilevät), joilla ei ole meioosia ja joiden genomissa on vain yksi DNA-molekyyli, laillinen geneettinen rekombinaatio liittyy sellaiseen luonnollisia muotoja geneettisen materiaalin vaihto ja siirto konjugaatio(luovuttajasolun kromosomit siirtyvät vastaanottajalle protoplasmisen siltapilin kautta), muunnos(DNA tunkeutuu ympäristöstä solukalvon läpi) transduktio(DNA-siirron suorittaa bakteriofagi tai bakteerivirus). Viruksissa geneettinen rekombinaatio tapahtuu, kun ne infektoivat soluja. Solujen hajoamisen jälkeen virukset havaitaan yhdistelmä-DNA. Prokaryooteissa geneettisen rekombinaation suorittavat erityiset soluproteiinit (monet niistä ovat entsyymejä).

1.1 Homologinen geneettinen rekombinaatio

Laillisen geneettisen rekombinaation molekyylimekanismi perustuu kahden homologisen DNA-molekyylin "break-reunion" -periaatteeseen. Tätä prosessia kutsutaan ylittämiseksi, se sisältää useita välivaiheita:

1) paikkojen tunnistaminen;

2) molekyylien repeäminen ja vastavuoroinen (ristikkäinen) yhdistyminen: joidenkin ketjujen korvaaminen homologisilla;

3) osien virheellisestä parituksesta johtuvien virheiden poistaminen.

Vaihtopiste voi esiintyä missä tahansa vaihdossa mukana olevien kromosomien homologisten nukleotidisekvenssien kohdassa. Tässä tapauksessa nukleotidisekvensseissä ei yleensä tapahdu muutosta vaihtopisteessä. Katkaisun ja yhdistämisen tarkkuus on erittäin korkea: ainuttakaan nukleotidiä ei menetetä, lisätä tai muunneta toiseksi.

Kaikki, mitä on sanottu DNA-homologiasta ja polynukleotidiketjujen komplementaarisuudesta, viittaa homologiseen tai yleiseen rekombinaatioon, joka perustuu komplementaaristen DNA-ketjujen pariutumisen. Se eroaa muun tyyppisistä rekombinaatioprosesseista sillä, että tarvitaan yhteinen (molekyylien koko pituudelta) homologia rekombinoituvien DNA:iden ja suuren joukon erityisten proteiinien välillä. Homologinen rekombinaatio alkaa siitä, että yhteen tai molempiin dupleksiin ilmestyy osia yksittäisistä DNA-säikeistä, jotka sitten erityisten proteiinien avulla löytävät komplementaarisia sekvenssejä homologisesta dupleksista ja muodostavat niiden kanssa heterodupleksin - avain välituote(väli)rekombinaatio. lopputulos rekombinaatio on homologisten molekyylien yhtäläisten osien vaihtoa

Yleisestä rekombinaatiosta voidaan erottaa mm erikoistapaus kutsutaan kohdunulkoiseksi rekombinaatioksi. Se koostuu vaihdoista (crossovereista) välillä erilliset osat homologinen DNA, joka on hajallaan genomissa. Näitä ovat monet liikkuvat elementit, jotka on nimetty kyvystä liikkua genomissa, kuljetusgeenit ja ribosomaalisen RNA:n geenit, histonit ja monet muut toistuvat DNA-sekvenssit (toistot). Tällainen paikallinen homologinen rekombinaatio on mielenkiintoinen ensisijaisesti siksi, että se voi johtaa kromosomien uudelleenjärjestelyihin, vaikka se biologinen rooli tämä ei lopu tähän. Tämä on vain osa mahdollisista kromosomien uudelleenjärjestelyistä. Muita niiden tyyppejä voi syntyä riippuen DNA-toistojen orientaatiosta toisiinsa nähden (suora tai käänteinen) ja siitä, missä ne sijaitsevat: samassa kromosomissa, sisarkromatideissa tai eri kromosomeissa. Huolimatta siitä, että vaihtoja tapahtuu paikallisten homologiakohtien välillä, ektooppinen rekombinaatio suoritetaan pääasiassa samoilla proteiineilla kuin homologiset.

1.2 Holliday malli

Homologisen rekombinaation huomioon ottaminen on mahdotonta ilman yleistä risteytysmallia, jonka julkaisi vuonna 1964 amerikkalainen geneetikko R. Holliday. Malli oli muodollinen, ilman rekombinaatioreaktioiden molekyylimekanismeja, se ei ottanut huomioon niitä suorittavia proteiineja, koska 60-luvun alussa suurinta osaa niistä ei tunnettu. Mutta juuri silloin kun se alkoi nopea kehitys molekyyligenetiikkaa, ja niin tapahtui, että uudet kokeelliset tulokset sopivat hyvin Hollidayn malliin täydentäen ja jalostaen sitä. Pohjimmiltaan rekombinaation molekyyligenetiikan historia on Hollidayn mallin kehitys. Se on suunniteltu meioottiseen ylitykseen. Muista, että meioottisen solun ydin profaasissa I sisältää neljä homologista kromatidia, mutta vain kaksi niistä osallistuu jokaiseen yksittäiseen ylitystapahtumaan.

Periaatteessa, jotta homologiset DNA-molekyylit vaihtaisivat osansa, katkoksia on ensin tapahduttava molempien dupleksien kaikissa juosteissa ja vasta sitten - juosteiden vaihto ja katkojen sulkeminen. Hollidayssa taukoja ei tapahdu samanaikaisesti, vaan kahdessa vaiheessa. Rekombinaatio alkaa primäärisillä yksijuosteisilla katkeamilla DNA:n fosfodiesterisidoksissa (endonukleaasientsyymi lisää ne). Katkoja tapahtuu kahdessa saman polariteetin piirissä. Holliday oletti myös, että primaariset katkokset eivät tapahdu satunnaisesti, vaan tietyissä DNA:n kohdissa. Myöhemmin tämä ajatus sai kokeellisen vahvistuksen.

Edelleen primaaristen katkosten kohdista tapahtuu ketjujen vaihtoa dupleksien välillä, mikä johtaa ristinmuotoisen rakenteen muodostumiseen, joka myöhemmin tunnettiin nimellä Holliday's semi-chiasm. Tämä nimi selittyy sillä, että vain kaksi neljästä DNA-juosteesta osallistuu puolikiasman vaihtoon, mikä erottaa sen täydellisestä kiasmista, joka on biologien pitkään tuntema päättyneen meioottisen risteytymisen tunnusomainen tuote. Sitten tapahtuu erittäin tärkeä prosessi - ketjun risteyspisteen liike hemichiasmissa pitkin rekombinoituvia duplekseja. Tätä ilmiötä kuvataan nimellä "haaramuutto". Se koostuu seuraavista: ketjun risteytyspisteestä alkaen alkuperäiset dupleksit kierretään ja vapautuneet ketjut pariutuvat välittömästi komplementaaristen ketjujen kanssa homologisista duplekseista, mikä johtaa heterodupleksin muodostumiseen ja myöhempään pidentymiseen (B / b). Heterodupleksin pidentymisessä on haarautuneen vaelluksen biologinen merkitys. Se suoritetaan erityisillä entsyymeillä. Heterodupleksin mitat meioottisen risteytymisen aikana vaihtelevat useista sadasta tuhanteen emäspariin; rekombinaation aikana somaattisissa ja prokaryoottisissa soluissa se on vielä pidempi.

Heterodupleksi muodostuu. Tuloksena oleva monimutkainen haarautunut rakenne tulisi jakaa homologeiksi. Tätä kutsutaan semi-chiasman resoluutioksi. Ratkaisua varten tarvitaan vielä kaksi taukoa: toisiokakatkoja täydentää piirin vaihdon. Mutta ennen kuin tämä tapahtuu, puolichiasman on suoritettava vielä yksi muutos - isomeroituminen. Isomeroituminen on muutos semi-chiasmin rakenteessa, joka tapahtuu molekyylien tavanomaisen lämpöliikkeen vuoksi. Rakenteet in" ja "in" ovat identtiset. Rakenteessa in" on yksi 180:n kierto mistä tahansa dupleksisegmenttien (varsien) parista. Tuloksena oleva rakenne voidaan ratkaista kahdella toissijaisten murtumien parilla. Saman polaarisuuden 1-1 tai 2-2 omaavien ketjujen parin katkeaminen johtaa kahden tyyppisiin rekombinanttisiin kromatideihin: ensimmäisen tyypin kromatidit sisältävät sisäisen heterodupleksin B / b, ja kylkimerkkien A ja C konfiguraatio ei poikkea alkuperäiset (ei-crossover-kromatidit); Toisen tyypin rekombinanttikromatidit ovat ristikkäisiä, ne sisältävät myös heterodupleksin, mutta vaihtavat osia sen molemmilla puolilla. Molemmat rekombinaatiotuotteet ovat yhtä todennäköisiä, mikä on yhdenmukainen sen geneettisen tiedon kanssa, johon Holliday luotti malliaan luodessaan.

Tässä sinun on tehtävä pieni poikkeama yhdestä tärkeästä heterodupleksissa tapahtuvasta prosessista. Kuten jo mainittiin, erilaiset alleelit voivat päästä rekombinaatioheterodupleksiin alkuperäisistä molekyyleistä, jolloin siihen ilmaantuu parittomia emäksiä, jotka paikallisesti häiritsevät DNA:n kaksoiskierteen rakennetta. Nämä häiriöt tunnistavat erityiset entsyymijärjestelmät, jotka toimivat kuten leikkauskorjaus. Ne korjaavat parittomia emäksiä heterodupleksissa: ne poistavat parittoman emäksen yhdestä DNA-juosteesta ja muodostavat tuloksena olevan aukon komplementaarisessa juosteessa olevan toisen alleelin templaatissa, mikä muuttaa (muuntaa) yhden alleelin toiseksi. Tämä ilmiö on pitkään tunnettu "geenikonversiona", mutta nyt tiedämme, että se perustuu heterodupleksikorjaukseen. Jos heterotsygoottinen solu A / a joutuu meioosiin, normaalisti meioosin tuotteiden joukossa geenin A molemmat alleelit ovat yhtä suuri suhde:2A:2a. Jos risteytys kuitenkin tapahtuu kromosomin alueella, jossa A-geeni sijaitsee, muodostuu A/a-heterodupleksi, jossa on paikallisesti parittomia emäksiä, mikä voi johtaa A-geenin muuntumiseen: geenialleelien halkeamiseen. meioosin tuotteiden joukossa on 3A: 1a tai 1A: 3a. Crossover-alueen ulkopuolella sijaitsevien geenien pilkkominen säilyttää normaalin alleelisuhteen 2:2. Hollidayn mallia analysoidessamme havaitsimme, että heterodupleksia sisältävät rekombinaatiotuotteet risteytyksen kanssa ja ilman ulkoisia geenejä ovat yhtä todennäköisiä, toisin sanoen geenikonversio meioosiin voi yhtä usein liittyä ulkoisten geenien vaihto, mutta ei sitä. Tämä tosiasia oli tärkein edellä mainituista geneettisistä tiedoista, joiden perusteella Holliday loi mallinsa.

Hollidayn malli on symmetrinen: primaariset katkokset tapahtuvat samanaikaisesti molemmissa homologeissa ja säikeenvaihto tapahtuu synkronisesti. On kuitenkin olemassa geneettisiä tietoja epäsymmetrisistä vaihdoista, jotka on saatu erityisesti hiivasta. Näissä tapauksissa primaarinen katkeaminen tapahtuu vain yhdessä dupleksissa, sitten katkeamiskohdasta erotetaan yksi DNA-juoste, joka viedään homologiseen dupleksiin ja syrjäyttää myöhemmässä haaroittumismigraatiossa siitä saman polaarisen juosteen. Sen jälkeen vaihto muuttuu symmetriseksi.

Holliday-malli hänessä moderni muoto yleisesti tunnustettu ja yleinen prokaryooteille ja eukaryooteille (sekä sukupuoli- että somaattisille soluille). Sen etuna on, että se on hyvin testattu geneettisillä tiedoilla, ja lähes kaikki sen vaiheet ovat vähitellen löytäneet kokeellisen vahvistuksen. Hollidayn puolikiasmit näkyvät selvästi elektronimikroskoopissa. On löydetty erityisiä endonukleaaseja (niitä kutsutaan resolvaaseiksi), jotka suorittavat hemichiasman erottumisen. Tähän mennessä tällaisia ​​resolvaaseja on löydetty T4- ja T7-bakteriofageista, E. colista, hiivasta ja ihmisistä. E. colissa on myös tunnistettu proteiineja, jotka suorittavat hemichiasmin haarautumisen kulkeutumisen.

2. Nezakyksi geneettinen rekombinaatio

Alun perin Franklin määritteli termin laiton rekombinaatio rekombinaatioksi sekvenssien välillä, joilla on vähän tai ei lainkaan homologiaa.

Tällä hetkellä on järkevää ottaa käyttöön laajempi määritelmä, joka sulkee pois rekombinaatiotapahtumat, jotka johtuvat normaalista tai laillisesta transpositioaktiivisuudesta tai erikoistuneiden rekombinaatiojärjestelmien toiminnasta (esim. DNA:n liittäminen ja vapautuminen). Franklin katsoi, että laiton rekombinaatio voi johtua virheistä proteiineissa, jotka vastaavat DNA:n leikkaamisesta ja yhdistämisestä tai replikaatiosta.

Laittomalla geneettisellä rekombinaatiolla on selvä paikallinen luonne. Tässä tapauksessa koko prosessia alkuperäisine tunnistusvaiheineen, joka tuo kaksi DNA-juostetta yhteen, ohjaa erityinen rekombinaatioentsyymi; emäsparia ei vaadita tässä (vaikka se tapahtuisi, prosessissa ei ole enempää kuin muutama emäspari). Transposonien, plasmidien ja lauhkeiden faagien integroituminen bakteerigenomiin on esimerkki tämän tyyppisestä geneettisestä rekombinaatiosta. Samanlainen mekanismi on myös eukaryoottisoluissa.

Laittomassa geneettisessä rekombinaatiossa vaihtuu yhden tai molempien tähän prosessiin osallistuvien DNA-helisien lyhyet spesifiset nukleotidisekvenssit. Siten tällainen geneettinen rekombinaatio muuttaa nukleotidisekvenssien jakautumista genomissa - DNA-osat, jotka eivät aiemmin sijainneet jatkuvassa sekvenssissä vierekkäin, yhdistetään. Tällainen heterologisten DNA-alueiden vaihto johtaa geneettisen materiaalin insertioiden, deleetioiden, duplikaatioiden ja translokaatioiden esiintymiseen.

Eukaryooteissa laittomaan geneettiseen rekombinaatioon liittyvien erilaisten geneettisten elementtien liikkeet suoritetaan pääasiassa. ei meioosissa, kun kromosomiparit ovat kosketuksissa. mutta normaalien solusyklien aikana (mitoosi). Laittomalla geneettisellä rekombinaatiolla on tärkeä rooli evoluution vaihtelussa, koska sen ansiosta genomissa tehdään mitä moninaisimpia, usein kardinaalisia uudelleenjärjestelyjä ja siten laadulle luodaan edellytykset. muutokset organismin evoluutiossa.

3. Paikkasidonnainenjokin geneettinen rekombinaatio

Vuonna 1962 A. Campbell, tutkiessaan X-faagin genomin integroitumista E. colin kromosomiin, havaitsi, että liittäminen tapahtuu vedessä, tiukasti määritellyssä bakteerikromosomin kohdassa. Tämä havainto aloitti DNA-molekyylien välisten rekombinaatiomekanismien tutkimuksen matala taso homologiaa tai sen täydellistä puuttumista. On olemassa kahdenlaisia ​​paikkaspesifisiä rekombinaatioita: kaksois- tai oikea paikkaspesifinen (molemmat rekombinaatio-DNA-dupleksit sisältävät sekvenssejä, jotka rekombinaatioentsyymit tunnistavat spesifisesti) ja yksittäinen (sellaisia ​​sekvenssejä löytyy vain yhdestä DNA-duplekseista), jota kutsutaan laittomaksi. Erot paikkaspesifisen ja laittoman rekombinaation välillä eivät ole selkeitä ja liittyvät tähän prosessiin osallistuvien nukleotidisekvenssien samankaltaisuuden asteeseen.

Edellytys paikkaspesifiselle rekombinaatiolle on lyhyen (noin 10 bp) homologia-alueen läsnäolo kahdessa vuorovaikutuksessa olevassa DNA-molekyylissä. Prosessi spesifisten entsyymien tarjoamiseksi - rekombinaasit, jotka tunnistavat homologia-alueita ja katalysoivat geneettisen materiaalin vaihtoa. Nämä entsyymit voidaan jakaa kahteen pääryhmään: topoisomeraasit (Xer, Cre, Int/Xis) ja resolvaasit (Tn-resolvaasit, invertaasit).

Paikkaspesifisen rekombinaation tuloksena muodostuu kahdenlaisia ​​tuotteita. Jos rekombinanttialueet on suunnattu vastakkain (AB ja BA), niin rekombinantti segmentti käännetään. Jos rekombinaatiokohdat ovat samassa suunnassa (AB ja AB), vaihdon tuloksena on yllä olevan segmentin deleetio ja pyöreän molekyylin muodostuminen jäljellä olevasta DNA:sta. Toisin sanoen käänteisten toistojen rekombinaatio tuottaa homologia-alueen inversion, kun taas suora rekombinaatio tuottaa sen deleetion.

Harvinainen, ellei ainoa, mutta elintärkeä esimerkki paikkaspesifisestä rekombinaatiosta monisoluisissa eläimissä on uudelleenjärjestely DNA-sekvensseissä, jotka koodaavat immunoglobuliineja, proteiinimolekyylejä, jotka tunnistavat yhden tai toisen antigeenin selkärankaisten immuunivasteen aikana.

4. Transpositiot

homologinen geneettinen rekombinaatiotranspositio

Toisen tyyppiset rekombinaatioprosessit - transpositiot ovat liikkuvien geneettisten elementtien liikkumisen taustalla. Liikkuvat elementit ovat erityisiä DNA-sekvenssejä, jotka nimensä mukaisesti pystyvät siirtymään DNA-molekyylin yhdestä osasta (kromosomista tai plasmidista) toiseen tai toiseen molekyyliin samassa solussa tai jopa toisen organismin soluihin. Ne ovat laajalle levinneitä sekä prokaryooteissa että eukaryooteissa ja ovat erittäin erilaisia. Liikkuvat elementit eivät pääsääntöisesti ole olemassa itsenäisesti, ja niille on tunnusomaista se, että ne ovat kromosomien tai plasmidien koostumuksessa. Suurimmaksi osaksi prokaryoottien ja eukaryoottien liikkuvat elementit on rakennettu samanlaisen suunnitelman mukaan ja koostuvat keskusosasta, jota reunustavat päätekäänteiset toistot.

Transpositiot suorittavat erityiset proteiinit, joiden geeni (tai geenit) sijaitsee pääosin itse liikkuvissa elementeissä, niiden keskiosassa. Transponoinnin pääproteiini on transposaasi. Liikkuvan elementin ja DNA:n, johon se integroituu, välinen rekombinaatio (tätä kutsutaan kohde-DNA:ksi) tapahtuu dupleksien tasolla, joilla ei ole, kuten paikkaspesifisen rekombinaation tapauksessa, presynaptista kiinteää vauriota. Koska rekombinaatio tapahtuu täsmälleen liikkuvan elementin päissä, voidaan transpositiot pitää paikkaspesifisenä prosessina, mutta vain suhteessa itse elementtiin, koska elementtien sisällyttäminen kohde-DNA:han tapahtuu useimmiten satunnaisissa paikoissa. On tärkeää huomata, että liikkuvan elementin ja kohde-DNA:n välillä ei ole havaittavaa homologiaa.

5 . biologinen merkkigeneettinen rekombinaatio

Ilmeinen tulos geneettisen materiaalin rekombinaatiosta meioosissa ja sukupuolisessa lisääntymisessä yleensä on genotyyppisesti heterogeenisten jälkeläisten tuotanto. Usein oletetaan, että tämä on geneettisten rekombinaatioiden tehtävä. Tämän näkemyksen mukaan sukupuolinen lisääntyminen- sopeutuminen vaihteluun ulkoiset olosuhteet peräkkäisissä sukupolvissa.

Maynard Smith on analysoinut laajasti tätä selitystä rekombinaation merkityksestä. Päätulos Tämä analyysi päättelee, että luonnonvalinta voisi tarjota etua sukupuoliselle lisääntymiselle vain erittäin epätodennäköisten pysyvien muutosten yhteydessä ympäristöolosuhteissa, jolloin jokaisessa sukupolvessa tarvittaisiin uusia genotyyppejä, joilla on korkea sopeutumiskyky.

Fischerin ja hänestä riippumatta Mellerin antama klassinen selitys geneettisten rekombinaatioiden toiminnasta ei viittaa genotyyppisen monimuotoisuuden merkitykseen yleensä, vaan minkä tahansa kahden itsenäisesti esiintyvän edullisen mutaation yhdistelmälle yhdessä genomissa.

On todettu, että geneettisten rekombinaatioiden etujen paljastamiseksi Fischer-Meller-konseptissa säännöllisillä populaatiovähennyksillä, eli geneettisen ajautumisen olosuhteilla, voi olla suuri merkitys. Tässä tapauksessa rekombinaatio varmistaa suotuisten alleelien yhdistymisen eri alkuperää taustalla on pienentynyt (drift-olosuhteissa) kahden tai useamman edullisen mutaation esiintymisen todennäköisyys yhdessä genomissa.

On selvää, että populaation eri yksilöissä syntyvien hyödyllisten mutaatioiden yhdistäminen on mahdotonta ilman rekombinaatioita. Felsenstein tulkitsee tämän tilanteen rekombinaatioepätasapainoksi tai "sidoksen" epätasapainoksi. Siten geneettinen rekombinaatio eliminoi populaation eri yksilöissä esiintyvien suotuisten mutaatioiden "sidoksen" (tarkemmin sanottuna yhdistelmän) epätasapainon.

Felsenstein sovelsi myös samanlaista päättelyä haitallisten mutaatioiden "loputtomaan" kertymiseen aseksuaalisille sukupolville, joka tunnetaan nimellä "Mellerin räikkä". Geneettiset rekombinaatiot pysäyttävät Mellerin räikkä "käännökset", myös ikään kuin eliminoiden rekombinaatioepätasapainon, mutta tällä kertaa epäsuotuisten mutaatioiden osalta: jos jokaisessa populaation yksilössä on ajelehtimisen seurauksena vähintään yksi epäsuotuisa mutaatio, niin tällainen "epätasapaino" eliminoituu sellaisten rekombinanttimuotojen ilmaantumisen seurauksena, jotka eivät sisällä haitallisia mutaatioita.

Fischer-Meller-konseptissa seksuaalisen lisääntymisen etu toteutuu ns. ryhmävalinnan kautta, joka ilmenee selviytymisenä sukupuolisesti lisääntyvien populaatioiden ja lajien evoluutiossa ja vastaavasti häviävien lajien sukupuuttoon. kyky lisääntyä seksuaalisesti.

Mutta edellä mainitun ajatuksen puitteissa, että geneettiset rekombinaatiot voisivat edistää suotuisten mutaatioiden assosiaatiota ja estää haitallisten mutaatioiden leviämistä eliminoiden populaation "sidos"epätasapainon, on esitetty malleja, joissa yksilövalinnan tavoitteena on myös lisätä rekombinaatioiden taajuus. Näissä malleissa kaksi yhdistettyä hyödyllistä mutaatiota estävät toistensa valinnan Hill-Robertson-ilmiön mukaan. Siinä tapauksessa, että on olemassa kolmas kytketty geeni, joka aiheuttaa suotuisten alleelien rekombinaation, tämä geeni periytyy suurella todennäköisyydellä rekombinanteista, joissa suotuisat alleelit yhdistyvät.

Sellaista rekombinaatioon vaikuttavan geenin valintamekanismia kutsutaan "lentämiseksi" tai "vapaaksi matkustamiseksi". Kuten Maynard Smith huomauttaa, rinnakkaisvehikkelimallit selittävät jonkin tason rekombinaation hyödyllisyyden, mutta ne eivät selitä miksi luonnossa havaitaan korkea rekombinaatiotaajuus.

On huomattava, että suurin osa populaatiogeneettisistä tutkimuksista on vielä vuosisadamme 20-luvulla kehittyneen evoluutioprosessin käsitysten tasolla. Näiden ideoiden mukaan evoluutio (progressiivinen) on jatkuva prosessi, jossa kertyy suotuisia mutaatioita, jotka lisäävät organismien kuntoa. Tällaisessa evoluutiokäsityksessä ei selvästikään ole sijaa geneettisille rekombinaatioille, mikä itse asiassa selittää epäonnistuneet yritykset löytää niille "sovelluksia".

Samaan aikaan rekombinaatioilla on keskeinen rooli progressiivisessa evoluutiossa, progressiivisen evoluution aikana olennaisesti erilaiset valintatyypit korvaavat luonnollisesti toisensa.

Mainittu malli perustuu käsitykseen evolutionaaristen muutosten syklisyydestä. AT seuraa ystävää toisen evoluutiosyklin jälkeen jokaisen seuraavan syklin käynnistää "lupaavan" hybridimuodon ilmaantuminen, jolle on kuitenkin tunnusomaista yleiskunnon (hedelmällisyyden ja elinkyvyn) heikkeneminen ulkosiitoksen aiheuttaman fysiologisen epätasapainon vuoksi. Tästä syystä valinnalla evoluutiosyklin ensimmäisessä vaiheessa todellakin pyritään lisäämään kuntoa ja "hankimaan" sopivat mutaatiot jokaisessa sukupolvessa.

Kuitenkin, jos yleiskuntoisuuden lisäämiseen tehdyn valinnan seurauksena tietty kynnystaso ylittyy, syntyy edellytykset lajinsisäiselle kilpailulle ravinnon lähteistä. Tässä vaiheessa valinta elintarvikeresurssien tehokkaampaan hyödyntämiseen liittyy väistämättä yksittäisten alalajien ja rotujen ekologisen potentiaalin asteittaiseen kaventumiseen, mikä johtaa niiden eroamiseen. Valintatoiminnon ominaisuus tämä vaihe on, että jokainen askel kohti alalajien tai rotujen erikoistumista edelleen alkaa tietyn mutanttimuodon selviytymisestä, jolle on tunnusomaista yleinen kunnon heikkeneminen.

Lopuksi päälle viimeinen taso kiertokulkuun, elintarvikeresurssien puutteesta johtuvan yleisen kriisin taustalla, eriytyneet rodut ovat vuorovaikutuksessa ja seuraava lupaava hybridimuoto muodostuu rekombinaatiolla, joka yhdistää emorodujen ekologisen potentiaalin.

Johtopäätös

Emme ole tarkastelleet kaikkia esimerkkejä rekombinaatiojärjestelmistä, jotka johtavat geneettisen materiaalin uudelleenjärjestelyihin. Niitä on monia ja niiden rooli on monipuolinen. Kuten homologisen rekombinaation tapauksessa, ei-homologiseen rekombinaatioon perustuvat prosessit leikkivät iso rooli evoluutiossa, mutta niiden toiminnot ovat erityisen tärkeitä sekä prokaryoottisten että eukaryoottisten organismien ontogeniassa. Paikkakohtaiset rekombinaatiopelit avainasema sisään elinkaaret lauhkeat bakteriofagit.

Transpositioiden ja niiden taustalla olevien liikkuvien geneettisten elementtien biologinen rooli on valtava. liikkuvat osat ovat saavuttaneet suuri valikoima ja levisi kaikkien elävän maailman systemaattisten ryhmien edustajien keskuuteen. Joissakin organismeissa ne muodostavat merkittävän osan geneettisestä materiaalista: Drosophilassa ja ihmisissä eri tutkijoiden mukaan ne muodostavat 5-10% genomisesta DNA:sta. Miksi niin paljon "ylimääräistä" DNA:ta tarvitaan, on edelleen epäselvää. Osittaisena selityksenä voidaan olettaa, että ylimääräinen DNA on evoluution materiaali. Liikkuvien elementtien täysin biologinen rooli ei selviä pian.

Isännöi Allbest.ru:ssa

Samanlaisia ​​asiakirjoja

Geenirekombinaation mekanismin käsite ja yleinen kuvaus, luokittelu ja toteutusmuodot: yleinen ja paikkakohtainen. Homologisten DNA-heliksien komplementaaristen juosteiden välisen emäspariutumisen aiheuttamien vuorovaikutusten piirteet.

lukukausityö, lisätty 18.10.2013


Geenien ja kromosomien käyttäytymisen rinnakkaisuuden tunnistaminen sukusolujen muodostumisen ja hedelmöittymisen aikana. Geneettisen rekombinaation käsite, Drosophilan ilmiön tutkimus, jonka suoritti T. Morgan. Avainkohdat kromosomiteoria perinnöllisyys.

esitys, lisätty 28.12.2011


Geneettisten järjestelmien pääominaisuuksien löytämisen historia: replikaatio, rekombinaatio ja korjaus. Eukaryoottisten geenien ilmentymisen ja säätelyn biokemialliset tutkimukset. Uuden esittely geneettistä tietoa soluihin. Kloonauksen perusperiaatteet.

tiivistelmä, lisätty 27.7.2009


Meioosi yhtenä keskeisistä perinnöllisyyden ja vaihtelun mekanismeista. biologinen merkitys meioosi: karyotyypin pysyvyyden ylläpitäminen useiden sukupolvien ajan, varmistaen kromosomien ja geenien rekombinaation. Gregor Mendelin lait klassisen genetiikan perustana.

esitys, lisätty 15.4.2014


esitys, lisätty 28.12.2011


Prokaryoottisten ja eukaryoottisten genomien evoluutiomekanismi. Liikkuvien geneettisten elementtien lokalisaatiomallin ominaisuudet, valinta ja dynamiikka. Liikkuvien geneettisten elementtien ja geneettisen materiaalin horisontaalisen siirron rooli genomin evoluutiossa.

lukukausityö, lisätty 30.09.2009


Historia, tavoitteet ja perusteet geenitekniikka; bioeettiset näkökohdat. ryhmät geneettisiä sairauksia, niiden diagnoosi ja hoito. Geenitekniikan soveltaminen lääkärin käytäntö Avainsanat: geenirokotteet, geeniterapia, lääketuotanto.

tiivistelmä, lisätty 26.10.2011


Perinnöllisyys ja geneettinen rekombinaatio bakteereissa. Kemiallinen koostumus, lisääntyminen ja ravitsemukselliset ominaisuudet bakteerisolu. Mikro-organismien entsyymit. Mutaatio, molekyylimuutokset kromosomissa. Stafylokokin jakautuminen sisäänkasvaneiden väliseinien mukaan.

esitys, lisätty 23.2.2014


Vaihtuvuus (biologinen) - erilaisia ​​merkkejä ja ominaisuuksia yksilöissä ja yksilöryhmissä, joilla on minkä tahansa sukulaisuusaste, sen muoto. Geneettinen rekombinaatio ja transformaatio. Faagien ja mikro-organismien vaihtelu. Mikro-organismien vaihtelun käytännön soveltaminen.

tiivistelmä, lisätty 26.12.2013


Mikro-organismien fysiologian ongelmat. Analyysi kemiallinen koostumus bakteerisolu. Autotrofisten ja heterotrofisten bakteerien ravinnon ominaisuudet ja mekanismit, niiden entsyymit, hengitys- ja lisääntymisprosessi. Perinnöllisyys ja geneettinen rekombinaatio bakteereissa.

Yleinen rekombinaatio katkaisujen koordinoidulla käyttöönotolla ja kahden DNA-kierteen ketjujen yhdistäminen pidennettyjen heterodupleksialueiden muodostumisella. Jotta kuvassa näkyvä kaksoishelisien välinen rekombinaatio tapahtuisi, kukin neljästä säikeestä on katkaistava ja liitettävä sitten uuteen kumppaniin. Molempien lineaaristen homologisten DNA-dupleksien vastaavat juosteet leikataan ja yhden heliksin vapaat päät paritetaan toisen komplementaaristen alueiden kanssa. Risti stabiloidaan yhdistämällä luovuttajasäikeiden päät vastaanottajaheliksien vapaisiin päihin. Vaihtavien säikeiden leikkauspiste liikkuu spiraaleja pitkin, prosessia kutsutaan haaran migraatioksi (e). Tässä tapauksessa alkuperäisten heliksien ketjut eroavat samanaikaisesti ja ne yhdistyvät uusiin kumppaneihin tytärdupleksien muodostumisen myötä. Rakenteita e ja e sekä myös g kutsutaan Holliday-rakenteiksi tutkijan nimen jälkeen, ensimmäistä kertaa
joka ehdotti. Holliday-rakenteet voidaan muuntaa rekombinanttikaksoishelkseiksi ottamalla käyttöön säikeen katkeaminen ja yhdistäminen kahdella vaihtoehtoisella tavalla. Yksi tapa on leikata ja yhdistää uudelleen risteävät säikeet. Kaksi käänteistuloa l ja m voidaan muodostaa, jos ketjujen katkeaminen ja sitä seuraava uudelleenyhtyminen tapahtuu e- ja e-rakenteiden leikkauspisteessä tai isomeerisen Holliday-rakenteen u neljän ketjun leikkausviivaa pitkin. Vaihdettujen fragmenttien koko riippuu etäisyydestä, jonka haara vaelsi ennen rekombinaatiotapahtumaa. Vaihtoehtoiset tuotteet n ja o muodostuvat siinä tapauksessa, että Holliday-rakenne s siirtyy murtautumisen seurauksena osaan k. Perustuu rekombinaatioon tämän tyyppistä kahteen eri DNA-juosteeseen kuuluvien juosteiden homologinen pariutuminen on, joten se tapahtuu todennäköisimmin paikassa, jossa tällainen pariutuminen on mahdollista etukäteen ja jossa sekvenssien homologia on riittävän suuri migraatiota varten
haarautuu rakenteessa, jossa on ristikkäiset ketjut. Tästä voidaan ymmärtää, miksi yleinen tai homologinen rekombinaatio tapahtuu myös kahden toiston välillä samassa DNA-molekyylissä tai saman sekvenssin alleelisten ja ei-alleelisten elementtien välillä kahdessa eri kromosomissa.
Haarojen vaeltamisen aikana eri helikseihin kuuluvien ketjujen pariutuminen johtaa heterodupleksien muodostumiseen. Tällaiset heterodupleksit voivat sisältää yhden tai useamman yhteensopimattomuuden Holliday-aloituskohdan ja risteytyskohdan välisessä segmentissä. Ne poistetaan samalla tavalla kuin muut modifioidut emäkset DNA-korjauksen aikana. Koska jompikumpi yhteensopimattomista emäksistä voidaan kuitenkin poistaa, molemmat rekombinanttiheliksit voivat päätyä samoihin emäspareihin tiettyyn kohtaan, ts. tämän sivuston rekombinaatio ei olisi vastavuoroinen. Siten jokainen rekombinanttiheliksi voi olla samanlainen kuin mikä tahansa
alkuperäisistä duplekseista niissä paikoissa, joissa ne alun perin erosivat.

Yleinen rekombinaatio, jossa muodostuu kaksisäikeinen katkos.
Vaihtoehtoinen mekanismi yleiselle rekombinaatiolle sisältää kaksijuosteisen katkeamisen muodostumisen yhdessä kumppaniduplekseista. Lisäksi eksonukleaasien avulla repeämäkohtaan muodostuu rako. Kun raon 3'-yksijuosteinen pää pariutuu koskemattoman kierteen komplementaarisen juosteen kanssa, jälkimmäiseen muodostuu silmukka, jonka koko kasvaa DNA-polymeraasin rakentaessa kiilatun heliksin 3'-pään. nauha. Tämän seurauksena raon toinen yksisäikeinen pää muodostaa parin komplementaarisen sekvenssin kanssa kulkusilmukassa. Tämän pariutumisen tuloksena muodostuu "aluketemplaatti"-järjestelmä, ja DNA-polymeraasi syntetisoi puuttuvan juosteen ja täyttää aukon. Kahden kasvavan pään liittäminen alkuperäisiin säikeisiin johtaa kaksoisholliday-rakenteen muodostumiseen (eli rakenteen, jossa kaksi kierrettä on yhdistetty kahdella ristillä
yksi rikkomuksen kummassakin päässä). Haaran siirtyminen yhdessä tai molemmissa risteyksissä siirtää molempia kiinnityspisteitä kumpaankin suuntaan, ja virheitä voi tapahtua aukon reunustavilla alueilla. Tällaisten rakenteiden erottaminen voi tapahtua kahdella tavalla - risteytyksen kanssa ja ilman, jolloin muodostuu neljä dupleksia.
Joitakin tämän mekanismin ominaisuuksia on syytä huomioida. Yhteensopimattomien parien (heterodupleksien) muodostuminen aukkoa reunustavalle alueelle johtaa sekä vastavuoroisiin että ei-vastavuoroisiin rekombinaatioihin geneettisten markkerien välillä. Jos kaksijuosteinen katkeaminen tapahtuu lähellä (tai sisällä) kohtaa, jossa heliksien välillä on eroja (emässubstituutiot, deleetiot, insertiot, inversiot jne.), rekombinantit perivät nukleotidisekvenssin
kumppani, joka ei eronnut. Tämä mekanismi selittää monet geenikonversiotapaukset, erityisesti ne, joissa yhdestä dupleksista peräisin oleva pidennetty sekvenssi korvataan vastaavalla mutta erilaisella sekvenssillä toisesta.
kaksipuolinen.
Ei-vastavuoroista yleistä rekombinaatiota käytetään myös joidenkin DNA-vaurioiden korjaamiseen. Esimerkiksi jos tymiinidimeerejä ei poistettu UV-säteilytetystä DNA:sta ennen kuin replikaatiohaarukka lähestyi niitä, komplementaarisen juosteen synteesiä tällä alueella ei voida suorittaa loppuun. Koska rakoa vastapäätä olevat tymiinidimeerit eivät voi olla
split, ainoa tapa säästää kromatidi on käyttää homologisen sisarkromatidin geneettistä tietoa ja täyttää aukko. Tätä varten käytetään samaa mekanismia kuin aukkojen korjaamiseen.
sisään.

Entsyymit, jotka osallistuvat yleiseen rekombinaatioon.

Yleinen rekombinaatio sisältää kaksi spesifistä entsyymiä ja useita muita entsyymejä, jotka myös katalysoivat DNA:n replikaatio- ja korjausprosesseja. Yleisen rekombinaation entsymologiaa on tutkittu vain joillekin prokaryoottisille organismeille, erityisesti E. colille ja sen faageille. Yhtä spesifisistä entsyymeistä, joita tarvitaan onnistuneeseen homologiseen rekombinaatioon, kutsutaan recA-proteiiniksi.
Se katalysoi yksiketjuista vaihtoa käyttämällä ATP:n hydrolyysin energiaa ADP:ksi ja epäorgaaniseksi fosfaatiksi. RecA-riippuvainen yksijuosteisen DNA:n insertio dupleksiin on ensimmäinen vaihe rekombinaatioprosessissa sekä Holliday-kaaviossa että mekanismissa, jossa muodostuu kaksijuosteisia katkoksia. Toisella entsyymillä, joka koostuu kolmesta erillisestä alayksiköstä (B, C ja D) ja jota siksi kutsutaan recBCD-nukleaasiksi, on endo- ja eksonukleaasi- sekä helikaasiaktiivisuus. Sen vaikutusmekanismia ei täysin tunneta, mutta se tiedetään
recBCD-nukleaasi indusoi katkoksia dupleksi-DNA:ssa ja, johtuen sen luontaisesta helikaasiaktiivisuudesta, yhdessä recA:n kanssa käynnistää rekombinaation.
On myös tunnistettu entsyymi, joka leikkaa solmua Hollidayn rakenteissa; sen osallistuessa muodostuu tahmeita päitä, jotka on yhdistetty ligaasilla. Yleinen rekombinaatio sisältää myös helikaasseja ja proteiineja, jotka sitoutuvat yksijuosteiseen DNA:han.
(SSB; englannista yksisäikeinen sidonta); näitä molempia tarvitaan tukemaan haaran siirtoprosessia.

Kuten tiedetään, Pol I helpottaa ketjujen liikkumista haarojen siirtymisen aikana, ja DNA-ligaasi osallistuu katkenneiden ketjujen yhdistämiseen. Tyypin I topoisomeraasia ja mahdollisesti gyraasia tarvitaan ilmeisesti poistamaan topologiset rajoitukset kierteen purkamisen aikana ja purkamaan kiertyneitä rakenteita.

Homologinen rekombinaatio DNA:n korjauksessa

Nopeasti jakautuvat bakteerisolut, jotka sisältävät useita alireplikoituneiden kromosomien muodostamia replikoneja, ovat vastustuskykyisempiä DNA:n kaksoisjuostekatkoja aiheuttavalle ionisoivalle säteilylle kuin solut, joissa on pieni määrä replikoneja ja jotka ovat stationaarifaasissa.
Haploidiset hiivasolut G1-vaiheessa ennen DNA-synteesin alkua ovat erittäin herkkiä ionisoivan säteilyn vaikutukselle, kun taas samat solut G2-vaiheessa ennen mitoosia ovat myös resistenttejä ionisoiva säteily kuten diploidisolut.
Nämä tosiasiat osoittavat, että jotta voidaan tehokkaasti korjata
aiheutettu vahinko ionisoiva säteily, kahden homologisen DNA-molekyylin samanaikainen läsnäolo solussa on välttämätöntä.

kuva 1 Yksi malleista, joka selittää kaksisäikeisten katkosten korjaamisen.
Palautusprosessi on ehdollisesti jaettu kolmeen vaiheeseen:
1. presynaptinen vaihe- DNA:han tuodaan kaksijuosteinen katkeaminen tai jos sellainen on, katkeamisen päiden nukleaasikatko tapahtuu välittömästi. RecBCD-proteiini, jolla on sekä helikaasi- että eksonukleaasiaktiivisuutta, on osallisena DNA:n yksijuosteisten 3'-OH-ylipäiden muodostumisessa katkeamiskohdassa. RecBCD purkaa kaksijuosteisen DNA-molekyylin katkeamiskohdassa ja hydrolysoi yhden juosteista 5'>3'-suunnassa jättäen esiin ulkonevan yksijuosteisen alueen.
2. synaptinen vaihe- tapahtuu kahden DNA-molekyylin homologisten alueiden synapsi, johon tulee komplementaarinen
yksijuosteinen alue DNA-dupleksissa ja sitä seuraava reparatiivinen DNA-synteesi. Rekombinaatioon tarvittavien homologisten alueiden etsintä ja ketjujen vaihto tapahtuu RecA-proteiinin osallistuessa.
3. Postsynaptinen vaihe- muodostettu Lomarakenteet erottavat RuvA-, -B- ja -C-, RecG-proteiinit sekä SOS-korjausjärjestelmän proteiinit (RecN, UvrD, RecF ja RecJ). Solut käyttävät samanlaisia ​​mekanismeja DNA-molekyyleihin jäävien yksijuosteisten aukkojen rekombinaatioon korjaamiseen, koska modifioidut nukleotidit estävät replikatiivisen DNA-synteesin.

Monilla E. coli- ja hiivageenituotteilla, jotka osallistuvat DNA-vaurioiden rekombinaatioon, on homologeja eläimissä ja ihmisissä. Erottuva ominaisuus eukaryoottinen rekombinaatio ja korjaus on vastaavien proteiinien pääsyä lukuisiin proteiinikomplekseihin, erityisesti transkriptosomeihin ja replisomeihin, jotka
osoittaa niiden tärkeän roolin matriisibiosynteesissä nukleiinihapot eukaryoottisolut.

REKOMBINAATIO

REKOMBINAATIO(re ... ja myöhään lat. combinatio - yhteys) (geneettinen), geneettisen uudelleenjakauma. jälkeläisten vanhempien materiaali, mikä johtaa perinnölliseen kombinatiiviseen vaihtelua eläviä organismeja. Jos kyseessä on linkittämätön geenit(makaa eri kromosomit; cm. geenien kytkentä) tämä uudelleenjakauma voidaan suorittaa kromosomien vapaalla yhdistelmällä meioosi, ja linkitetyissä geeneissä - yleensä risteyttämällä kromosomeja - ylittämällä. R. - universaali biologinen. mekanismi, joka on luontainen kaikille eläville järjestelmille - viruksista korkeampiin kasveihin, eläimiin ja ihmisiin. Samaan aikaan, riippuen elävän järjestelmän organisointitasosta, R.-prosessilla on useita piirteitä. Helpoin tapa R. esiintyy viruksissa: kun solu on yhdessä infektoitunut sukulaisviruksilla, jotka eroavat yhdeltä tai useammalta piirteeltä, sen jälkeen lyysi soluja ei löydy vain alkuperäisistä viruspartikkelit, mutta myös rekombinanttipartikkeleita, joissa on uusia geeniyhdistelmiä, jotka syntyvät tietyllä keskimääräisellä taajuudella. Bakteereilla on useita prosessit, jotka päättyvät R:iin: konjugaatio, eli kahden bakteerisolun yhdistäminen protoplasmisella siltalla ja kromosomin siirto luovuttajasolusta vastaanottajalle, jonka jälkeen tapahtuu korvaaminen. vastaanottajan kromosomin osia luovuttajan vastaaviksi fragmenteiksi; muunnos - piirteiden välittäminen ympäristöstä solukalvon läpi tunkeutuvien DNA-molekyylien avulla; transduktio - geneettisen siirron aineet luovuttajabakteerista vastaanottajabakteerille, jonka suorittaa bakteriofagi. Korkeammissa organismeissa R. esiintyy meioosissa muodostumisen aikana sukusolut: homologiset kromosomit lähestyvät ja asennetaan vierekkäin suurella tarkkuudella (ns. synapsis), sitten kromosomit rikkoutuvat tiukasti homologisista kohdista ja fragmentit yhdistyvät ristiin (risteytys). R:n tulos selviää uusista merkkiyhdistelmistä jälkeläisissä. Kahden kromosomipisteen välisen ylityksen todennäköisyys on suunnilleen verrannollinen fysikaaliseen. etäisyys näiden pisteiden välillä. Tämä tekee mahdolliseksi rakentaa R.:stä saatujen kokeellisten tietojen perusteella kromosomien geneettiset kartat, eli järjestää geenit graafisesti lineaariseen järjestykseen niiden sijainnin mukaan kromosomeissa, ja lisäksi tietyssä mittakaavassa. Molekyylimekanismi R.:tä ei ole tutkittu yksityiskohtaisesti, mutta on osoitettu, että myös R.:tä tuottavat entsymaattiset järjestelmät ovat mukana tässä kriittinen prosessi, korjauksena geneettisissä vaurioissa. materiaalia (hän. Korjaus geneettinen). Synapsin jälkeen alkaa toimia endonukleaasi, entsyymi, joka suorittaa ensisijaiset katkaisut DNA-ketjuissa. Ilmeisesti nämä aukot monissa organismit esiintyvät rakenteellisesti määrätyissä rekombinaattoripaikoissa. Seuraavaksi tapahtuu kahden tai yksittäisen DNA-säikeen vaihto ja lopuksi erityiset. synteettinen entsyymit - DNA-polymeraasit - täyttävät ketjujen aukot, ja ligaasientsyymi sulkee viimeiset kovalenttiset sidokset. Näitä entsyymejä jaetaan ja tutkitaan vain nekry-bakteereissa, jotka mahdollistivat P.-mallin luomisen in vitro (koeputkessa). Yksi R.:n tärkeimmistä seurauksista on vastavuoroisten jälkeläisten muodostuminen (eli geenien AB ja av kahden alleelisen muodon läsnä ollessa pitäisi saada kaksi R. - AB ja AB tuotetta yhtä suuressa määrin). Vastavuoroisuuden periaatetta noudatetaan, kun R. esiintyy kromosomin riittävän kaukana olevien pisteiden välillä. Intrageenisessä R.ssa tätä sääntöä rikotaan usein. Viimeinen ilmiö, jonka Ch. arr. alemmissa sienissä, ns. geenimuunnos. R.:n evoluutionaalinen merkitys piilee siinä, että usein harvat eivät ole suotuisia eliölle. mutaatioita ja niiden yhdistelmät. Samaan aikaan kuitenkin kahden mutaation suotuisan yhdistelmän esiintyminen yhdessä solussa on epätodennäköistä. R.:n seurauksena tapahtuu kahdelle itsenäiselle organismille kuuluvien mutaatioiden yhdistelmä, ja siten evoluutioprosessi kiihtyy.

Geneettinen rekombinaatio sisältää useita toisiinsa liittyviä prosesseja, joiden seurauksena syntyy uusia yhdistelmiä geneettisen tiedon kantajista soluissa tai organismeissa, joissa niitä esiintyy. Rekombinaatio lähekkäin olevien homologisten kromosomien välillä johtaa isän ja äidin geenien voimakkaaseen sekoittumiseen meioosin aikana ja luo siten edellytykset näiden geenien uusien yhdistelmien evoluutiotestaukselle jälkeläisissä. Somaattisissa soluissa joko DNA:n replikaation aikana tai sen jälkeen tapahtuvat ja sisarkromatidien vaihdoksena ilmenevät rekombinaatiotapahtumat eivät pääsääntöisesti johda solun genotyypin tai fenotyypin muutokseen. Ne synnyttävät kuitenkin usein erilaisia ​​genomisia uudelleenjärjestelyjä. Tämä on esimerkiksi geneettisten elementtien katoamista, hankkimista tai lisääntymistä ja uusien suhteiden luomista jo olemassa olevien, mutta äskettäin löydettyjen elementtien välille.

Jos käytämme molekyylitermejä, voimme sanoa, että geneettinen rekombinaatio koostuu muodostumisesta kovalenttiset sidokset saman tai eri DNA-molekyylin eri alueilta peräisin olevien nukleotidisekvenssien välillä.

Kaikki solut ja monet virukset sisältävät tietoa entsyymien synteesistä, jotka on suunniteltu paitsi korjaamaan vaurioita niiden omassa DNA:ssa, myös entsyymeistä, jotka suorittavat rekombinaatiota. Itse asiassa joillakin DNA:n replikaatioon ja korjaamiseen osallistuvilla entsyymeillä on avainrooli myös rekombinaatiossa. Tässä osiossa tarkastelemme joidenkin rekombinaatioprosessien mekanismeja ja niitä katalysoivia entsyymejä. Erityistä huomiota kiinnitetään rekombinaatioon bakteereissa ja faageissa, koska nämä prosessit ovat niissä melko hyvin tutkittuja. Vaikka eukaryoottisolujen rekombinaation geneettiset ja morfologiset aspektit tunnetaan, paljon jää epäselväksi molekyylitasolla.

Rekombinaatiotyypit

Rekombinaatioita on kolmea tyyppiä: yleinen tai homologinen, paikkaspesifinen ja satunnainen tai ei-homologinen.

Yleinen rekombinaatio. Yleinen rekombinaatio tapahtuu yleensä identtisten tai homologisten nukleotidisekvenssien laajennettujen alueiden välillä. Sitä kutsutaan usein homologiseksi rekombinaatioksi tai risteytykseksi. Yleisen rekombinaation aikana kaksi homologista DNA-segmenttiä katkeaa ja yhden segmentin kumpikin pää on liitetty toisen vastaaviin päihin siten, että molemmat tuloksena olevat molekyylit sisältävät eri fragmentteja molemmista rekombinaatiossa mukana olevista DNA:sta. Itse asiassa paikat, joissa kummankin ketjun katkeaminen ja yhdistäminen tapahtuu, eivät useinkaan ole samat.

Yleensä yleinen rekombinaatio tapahtuu eri DNA-molekyylien homologisten ja alleelisten alueiden välillä, mutta se voi tapahtua myös rekombinoituvien molekyylien homologisten mutta ei-alleelisten alueiden välillä. Tässä tapauksessa yksi rekombinaatiotuotteista menettää osan DNA:sta, kun taas toinen hankkii "ylimääräisen" segmentin. Tätä prosessia kutsutaan epätasaiseksi ylittämiseksi. Joskus rekombinaatiota tapahtuu saman kromosomin ei-alleelisten alueiden välillä, jolloin rekombinaatiokohtien välissä oleva alue häviää vastaavasti. Toisin kuin jo tarkastellut tapaukset, jotkin rekombinaatiotapahtumat eivät ole vastavuoroisia; seurauksena yksi tuloksena olevista tuotteista on identtinen toisen alkuperäisen molekyylin kanssa, kun taas toinen eroaa molemmista kumppaneista. Tätä prosessia kutsutaan usein geenimuunnokseksi.

Paikkakohtainen rekombinaatio. Rekombinaatiota kutsutaan paikkaspesifiseksi, jos katkaisu- ja yhdistämiskohdat kahdessa rekombinoituvassa molekyylissä tai kahdessa saman DNA-molekyylin fragmentissa ovat melko lyhyiden spesifisten homologisten nukleotidisekvenssien sisällä - yleensä enintään 25 nukleotidia. Vain toisella tai molemmilla voi olla tällaisia ​​lyhyitä jaksoja. Esimerkki ensimmäisestä variantista on joidenkin liikkuvien elementtien transpositio eu- ja prokaryooteissa, ja toinen on faagi X DNA:n integraatio-uuttoprosessi E. colin kromosomista. Paikkaspesifisen rekombinaation avulla tapahtuu kromosomaalisen DNA:n ohjelmoituja uudelleenjärjestelyjä, kun parittelutyypit muuttuvat hiivassa; se on myös vastuussa vasta-aineiden monimuotoisuudesta. Ilmeisesti yleinen rekombinaatio minkä tahansa homologisten sekvenssien parien välillä suoritetaan saman entsyymikompleksin avulla; toisaalta jokainen paikkaspesifisen rekombinaation tapaus vaatii oman entsyymisarjansa. ei-homologinen rekombinaatio. Rekombinaatiota ei-homologisten nukleotidisekvenssien välillä tapahtuu melko harvoin prokaryooteissa ja hiivasoluissa ja hyvin usein nisäkässoluissa. Ei-homologinen rekombinaatio voidaan katsoa johtuvan prosessista, jossa virus- tai plasmidi-DNA:ta liitetään satunnaisesti eläinsolujen DNA:han, minkä seurauksena papovavirusten replikoituviin genomeihin ilmaantuu monia deleetioita ja duplikaatioita. Rikkoutuneen DNA:n päät voivat liittyä yhteen, vaikka ne eivät olisi homologisia. Joissakin tapauksissa rekombinaatiota tapahtuu sekvenssien välillä, jotka sisältävät useita homologisia emäspareja, tai lyhyiden, osittain homologisten alueiden välillä. Mutta yleensä uudelleenyhdistetyillä segmenteillä ei ole homologisia sekvenssejä.

Yleinen rekombinaatio homologisten DNA-molekyylien välillä

Yleinen rekombinaatio katkaisujen koordinoidulla käyttöönotolla ja kahden DNA-kierteen ketjujen yhdistäminen pidennettyjen heterodupleksialueiden muodostumisella. Jotta kaksoiskierteiden välinen rekombinaatio tapahtuisi, kukin neljästä säikeestä on katkaistava ja yhdistettävä sitten uuteen kumppaniin. Molempien lineaaristen homologisten DNA-dupleksien vastaavat juosteet leikataan ja yhden heliksin vapaat päät paritetaan toisen komplementaaristen alueiden kanssa. Risti stabiloidaan yhdistämällä luovuttajasäikeiden päät vastaanottajaheliksien vapaisiin päihin. Vaihtavien säikeiden leikkauspiste liikkuu spiraaleja pitkin, prosessia kutsutaan haaran migraatioksi. Tässä tapauksessa alkuperäisten heliksien ketjut eroavat samanaikaisesti ja ne yhdistyvät uusiin kumppaneihin tytärdupleksien muodostumisen myötä. Rakenteita que ja myös g kutsutaan Holliday-rakenteiksi niitä ensimmäisenä ehdottaneen tutkijan nimen mukaan.

Holliday-rakenteet voidaan muuntaa rekombinanttikaksoishelkseiksi ottamalla käyttöön säikeen katkeaminen ja yhdistäminen kahdella vaihtoehtoisella tavalla. Yksi tapa on leikata ja yhdistää uudelleen risteävät säikeet. Kaksi käänteistuloa l ja m voidaan muodostaa, jos ketjujen katkeaminen ja sitä seuraava uudelleenyhtyminen tapahtuu e- ja e-rakenteiden leikkauspisteessä tai isomeerisen Holliday-rakenteen u neljän ketjun leikkausviivaa pitkin. Vaihdettujen fragmenttien koko riippuu etäisyydestä, jonka haara vaelsi ennen rekombinaatiotapahtumaa. Vaihtoehtoiset tulot u ja o muodostuvat, jos Holliday-rakenne s siirtyy k:n murtumisen seurauksena.

Tämän tyyppinen rekombinaatio perustuu kahteen eri DNA-juosteeseen kuuluvien juosteiden homologiseen pariutumiseen, joten se tapahtuu todennäköisesti paikassa, jossa tällainen pariutuminen on mahdollista etukäteen ja jossa sekvenssihomologia on riittävän korkea mahdollistaakseen haarojen kulkeutumisen risteytetyn säikeen sisällä. säikeen rakenne. Tästä voidaan ymmärtää, miksi yleinen tai homologinen rekombinaatio tapahtuu myös kahden toiston välillä samassa DNA-molekyylissä tai saman sekvenssin alleelisten ja ei-alleelisten elementtien välillä kahdessa eri kromosomissa.

Muuttoliikkeen aikana muodostuu haaroja eri helikseihin kuuluvien ketjujen pariutumisen aikana heterodupleksit. Tällaiset heterodupleksit voivat sisältää yhden tai useamman yhteensopimattomuuden Holliday-aloituskohdan ja risteytyskohdan välisessä segmentissä. Ne poistetaan samalla tavalla kuin muut modifioidut emäkset DNA-korjauksen aikana. Koska jompikumpi yhteensopimattomista emäksistä voidaan kuitenkin poistaa, molemmat rekombinanttiheliksit voivat päätyä samoihin emäspareihin tiettyyn kohtaan, ts. tämän sivuston rekombinaatio ei olisi vastavuoroinen. Siten jokainen rekombinanttiheliksi voi olla samanlainen kuin mikä tahansa alkuperäinen dupleksi niissä paikoissa, joissa ne alun perin erosivat.

Yleinen rekombinaatio, jossa muodostuu kaksisäikeinen katkos. Vaihtoehtoinen mekanismi yleiselle rekombinaatiolle sisältää kaksijuosteisen katkeamisen muodostumisen yhdessä kumppaniduplekseista. Lisäksi eksonukleaasien avulla repeämäkohtaan muodostuu rako. Kun raon 3'-yksisäikeinen pää yhdistetään ehjän kierteen komplementaarisen säikeen kanssa, jälkimmäiseen muodostuu silmukka. Tämän silmukan koko kasvaa, kun DNA-polymeraasi rakentaa kiilatun juosteen 3'-pään. Tämän seurauksena raon toinen yksisäikeinen pää muodostaa parin komplementaarisen sekvenssin kanssa kulkusilmukassa. Tämän pariutumisen tuloksena muodostuu "aluke-templaatti"-järjestelmä, ja DNA-polymeraasi syntetisoi puuttuvan juosteen ja täyttää aukon. Kahden kasvavan pään liittäminen emosäikeisiin johtaa kaksoisholliday-rakenteen muodostumiseen. Haaran siirtyminen yhdessä tai molemmissa risteyksissä siirtää molempia kiinnityspisteitä kumpaankin suuntaan, ja virheitä voi tapahtua aukon reunustavilla alueilla. Tällaisten rakenteiden erottaminen voi tapahtua kahdella tavalla - risteytyksen kanssa ja ilman, jolloin muodostuu neljä dupleksia.

Joitakin tämän mekanismin ominaisuuksia on syytä huomioida. Epäsopivuuksien muodostuminen aukkoa reunustavilla alueilla johtaa sekä vastavuoroisiin että ei-vastavuoroisiin rekombinaatioihin geneettisten markkerien välillä. Jos kaksijuosteinen katkeaminen tapahtuu lähellä kohtaa, jossa heliksien välillä on eroja, rekombinantit perivät sen kumppanin nukleotidisekvenssin, jossa katkeamista ei tapahtunut. Tämä mekanismi selittää monet geenikonversiotapaukset, erityisesti ne, joissa yhdestä dupleksista peräisin oleva pidennetty sekvenssi korvataan vastaavalla mutta erilaisella sekvenssillä toisesta dupleksista.

Ei-vastavuoroista yleistä rekombinaatiota käytetään myös joidenkin DNA-vaurioiden korjaamiseen. Esimerkiksi jos tymiinidimeerejä ei poistettu UV-säteilytetystä DNA:sta ennen kuin replikaatiohaarukka lähestyi niitä, komplementaarisen juosteen synteesiä tällä alueella ei voida suorittaa loppuun. Koska aukkoa vastapäätä olevia tymiinidimeerejä ei voida irrottaa, ainoa tapa säästää kromatidi on käyttää homologisen sisarkromatidin geneettistä informaatiota ja täyttää aukko. Tätä varten käytetään samaa mekanismia kuin aukkojen korjaamiseen.

Entsyymit, jotka osallistuvat yleiseen rekombinaatioon

Yleinen rekombinaatio sisältää kaksi spesifistä entsyymiä ja useita muita entsyymejä, jotka myös katalysoivat DNA:n replikaatio- ja korjausprosesseja. Yleisen rekombinaation entsymologiaa on tutkittu vain joillekin prokaryoottisille organismeille, erityisesti E. colille ja sen faageille. Yhtä spesifisistä entsyymeistä, joita tarvitaan onnistuneeseen homologiseen rekombinaatioon, kutsutaan recA-proteiiniksi. Se katalysoi yksiketjuista vaihtoa käyttämällä ATP:n hydrolyysin energiaa ADP:ksi ja epäorgaaniseksi fosfaatiksi. RecA-riippuvainen yksijuosteisen DNA:n insertio dupleksiin on ensimmäinen vaihe rekombinaatioprosessissa sekä Holliday-kaaviossa että mekanismissa, jossa muodostuu kaksijuosteisia katkoksia. Toisella entsyymillä, joka koostuu kolmesta erillisestä alayksiköstä ja jota siksi kutsutaan recBCD-nukleaasiksi, on endo- ja eksonukleaasi- sekä helikaasiaktiivisuus. Sen vaikutusmekanismia ei ole täysin selvitetty, mutta tiedetään, että recBCD-nukleaasi aiheuttaa katkoksia dupleksi-DNA:ssa ja luontaisen helikaasiaktiivisuuden vuoksi käynnistää yhdessä recA:n kanssa rekombinaatioprosessin. On myös tunnistettu entsyymi, joka leikkaa solmua Hollidayn rakenteissa; sen osallistuessa muodostuu tahmeita päitä, jotka on yhdistetty ligaasilla.

Yleinen rekombinaatio sisältää myös helikaasseja ja proteiineja, jotka sitoutuvat yksijuosteiseen DNA:han; näitä molempia tarvitaan tukemaan haaran siirtoprosessia. Kuten tiedetään, Pol I helpottaa ketjujen liikkumista haarojen siirtymisen aikana, ja DNA-ligaasi osallistuu katkenneiden ketjujen yhdistämiseen. Tyypin I topoisomeraasia ja mahdollisesti gyraasia tarvitaan ilmeisesti poistamaan topologiset rajoitukset kierteen purkamisen aikana ja purkamaan kiertyneitä rakenteita.

Paikkakohtainen rekombinaatio

Paikkaspesifinen rekombinaatio tapahtuu spesifisten DNA-dupleksien segmenttien välillä, joissa ei ole laajennettuja homologisia alueita. Tyypillinen esimerkki tällaisesta rekombinaatiosta on faagi X:n cDNA:n integrointi E. colin kromosomiin ja sen käänteinen pilkkominen. Vaikka nämä rekombinaatiotapahtumat sisältävät myös kahden kierteisen DNA-segmentin katkeamisen ja yhdistymisen, niiden mekanismi on täysin erilainen kuin yleisen rekombinaation. Tässä tapauksessa rekombinaatio tapahtuu faagi X:n spesifisessä DNA-nukleotidisekvenssissä ja E. colin ainutlaatuisessa DNA-sekvenssissä. AttP- ja attB-kohtien nukleotidisekvenssit ovat täysin erilaisia, vaikka niillä on yhteinen 15 emäsparin ydin. AttP ulottuu 150 nt vasemmalle ja 75 nt oikealle yhteisestä ytimestä, kun taas attB on vain noin 25 nt pitkä, sisältäen ytimen. Rekombinaatiotapahtumat, joita esiintyy sekä faagi X DNA:n integroinnin että poissulkemisen aikana E. colin kromosomista.

Koska attP:tä reunustavat nukleotidisekvenssit - ja a?? Vasemmalla ja oikealla olevat B-kohdat ovat erilaiset näille kohdille; faagi X DNA:n rekombinaatiokatkaisumekanismin E. colin DNA:sta tulisi erota niidenista. Todellakin, rekombinaatio attL:n ja attR:n välillä faagi-DNA:n poissulkemisen jälkeen vaatii Int-proteiinin lisäksi faagiproteiinin xis ja soluproteiinin HF. Rekombinaatiokatkaisuprosessi näyttää hieman muistuttavan integraatioprosessia, mutta näiden kolmen proteiinin, erityisesti xis-proteiinin, roolia tutkitaan edelleen.

Geneettinen rekombinaatio sisältää useita toisiinsa liittyviä prosesseja, joiden seurauksena syntyy uusia elementtien yhdistelmiä - geneettisen tiedon kantajia - soluihin tai organismeihin, joissa niitä esiintyy. Puhumme useimmiten rekombinaatiosta kuvattaessa risteytysprosessia, jonka aikana homologisten kromosomien välinen rekombinaatio johtaa isän ja äidin geenien voimakkaaseen sekoittumiseen meioosin aikana.

Rekombinaatiota voi tapahtua myös somaattisissa soluissa, joissa se yleensä ilmenee sisarkromatidien vaihdon muodossa, mikä ei johda muutokseen solun genotyypissä tai fenotyypissä. Tämä johtuu siitä, että rekombinaatio tapahtuu keskenään yhteensopivien emäsparien välillä, joten nukleotideja ei lisätä tai poisteta rekombinanttisista kromosomeista. Myös rekombinaatio liittyy usein korjausprosesseihin.

Rekombinaatioita on kolmea tyyppiä: 1) yleinen tai homologinen, 2) paikkaspesifinen, 3) satunnainen tai ei-homologinen.

Rekombinaatiota, johon liittyy vaihtoja homologisten DNA-sekvenssien välillä, kutsutaan yleiseksi tai homologiseksi rekombinaatioksi, ja se on kiinnostuksemme pääkohde, koska homologisen DNA:n rekombinaatio on mukana erilaisissa reparatiivisissa prosesseissa.

Rekombinaatio (biologia)

Yksityiskohtainen kuvaus siitä annetaan alla, mutta pysähdytään nyt lyhyesti kahdessa muussa rekombinaation tyypissä, jotka tapahtuvat entsyymien ohjauksessa, jotka tunnistavat spesifisiä nukleotidisekvenssejä, jotka ovat läsnä yhdessä tai kahdessa rekombinaatiossa. Tämän tyyppisessä rekombinaatiossa bakteerivirukset ja transposoituvat elementit liikkuvat genomissa.

Etkö löytänyt etsimääsi? Käytä hakua:

Lue myös:

Vanhempien geneettisen materiaalin uudelleenjakautuminen (rekombinaatio), jonka seurauksena jälkeläisillä on uusia geeniyhdistelmiä, jotka määrittävät uusia ominaisuuksia. Toisin sanoen jälkeläisten piirteiden yhdistelmä ei koskaan toista kummankaan vanhemman ominaisuuksien yhdistelmää. Rekombinaatio on kombinatiivisen vaihtelevuuden perusta, joka varmistaa lajin sisällä äärettömän määrän yksilöitä ja jokaisen yksilöllisyyden.

REKOMBINAATIO

Eukaryoottisissa organismeissa, jotka lisääntyvät seksuaalisesti, rekombinaatio tapahtuu meioosin aikana kromosomien itsenäisen eron ja homologisten alueiden vaihdon kanssa homologisten kromosomien välillä (risteytyminen). Mahdollista ja ns. laiton rekombinaatio, kun rakenteelliset uudelleenjärjestelyt vaikuttavat ei-homologisiin kromosomeihin. Rekombinaatioita tapahtuu myös seksissä ja paljon harvemmin somaattisissa soluissa. Prokaryooteilla (bakteerilla) ja viruksilla on erityiset mekanismit geeninvaihtoon. Siten rekombinaatiot ovat universaali tapa lisätä genotyyppien vaihtelua kaikissa organismeissa ja luoda materiaalia luonnolliseen valintaan. Katso myös vaihtelevuus, Mendelin lait.

Homologisessa rekombinaatiossa DNA:n rikkoutumis- ja yhdistymisprosessissa tapahtuu vaihtoa DNA-alueiden välillä, joilla on korkea homologia. Homologinen rekombinaatio tapahtuu muodostamalla välituote, jossa komplementaarinen pariutuminen tapahtuu eri emo-DNA-molekyyleihin kuuluvien yksijuosteisten alueiden välillä. Homologisen rekombinaation prosessi on geenien hallinnassa REC-järjestelmä koostuu geeneistä recA,B,C,D. Näiden geenien tuotteet purkautuvat ja suuntaavat DNA-säikeet uudelleen muodostaen Holiday-rakenteen ja leikkaavat Holiday-rakenteen rekombinaatioprosessin loppuunsaattamiseksi.

Paikkasidonnainen rekombinaatio

Esiintyy tietyillä genomin alueilla eikä vaadi korkea aste DNA-homologia. Tämäntyyppinen rekombinaatio ei riipu geenien toiminnasta. rec A, B, C, D. Esimerkki tällaisesta rekombinaatiosta on plasmidin integroituminen bakteerikromosomiin, mikä tapahtuu kromosomin ja plasmidin identtisten IS-elementtien välillä, faagi-DNA:n integroituminen kromosomiin. E. coli. Yhdessä replikonissa tapahtuva paikkaspesifinen rekombinaatio on myös osallisena geeniaktiivisuuden vaihtamisessa. Esimerkiksi salmonellassa tämä prosessi johtaa flagellaarisen H-antigeenin vaihevaihteluihin.

laitonta tai replikoiva rekombinaatio

Laiton tai replikatiivinen rekombinaatio ei riipu geenien toiminnasta rec A, B, C, D. Esimerkki tästä on liikkuvien geneettisten elementtien transponointi replikonia pitkin tai replikonien välillä, kun taas, kuten jo todettiin, liikkuvan geneettisen elementin transponointiin liittyy DNA:n replikaatio.

Geneettisen tiedon siirto bakteereissa

Rekombinaatio bakteereissa on viimeinen vaihe geneettisen materiaalin siirto bakteerien välillä, joka suoritetaan kolme mekanismia : konjugaatio(jos bakteerit joutuvat kosketuksiin, joista yksi sisältää konjugatiivisen plasmidin), transduktio(käyttäen bakteriofagia) muunnos(käyttäen erittäin polymeroitunutta DNA:ta).

Konjugaatio

Geneettisen materiaalin siirtoa luovuttajasolusta vastaanottajasoluun suoralla solukontaktilla kutsutaan konjugaatio .

Geneettisen materiaalin siirtymisen luovuttajasolusta vastaanottajasoluun löysivät ensimmäisenä J. Lederberg ja E. Tatum vuonna 1946.

Konjugaation välttämätön edellytys on läsnäolo luovuttajasolussa transmissiiivinen plasmidi .

Siirrettävät plasmidit koodaavat sukupuolipiluksia, jotka muodostavat konjugaatioputken luovuttajasolun ja vastaanottajasolun välille, jonka kautta plasmidi-DNA siirretään uuteen soluun.

Hedelmällisyystekijä (F), tai sukupuolitekijä löydettiin coli vuonna 1968. Havaittiin, että kahden eri bakteerikannan F+ ja F- sekoittamisen jälkeen tapahtuu bakteerien ominaisuuksien rekombinaatio. F+ on "mies" tai luovuttajan geneettinen materiaali, ja F- on "naaras" tai vastaanottaja. Nyt tiedetään, että kun F+ ja F- solut joutuvat kosketuksiin, kaksi täysin erilaista prosessia : joissakin tapauksissa siirtää vain hedelmällisyystekijä, F-tekijä, toisissa siirtää osa luovuttajasolun geneettisestä materiaalista vastaanottajasoluun.

Ensimmäinen prosessi kun minä itse F-tekijä pystyy siirtymään F+-bakteereista F-bakteereihin muuttaen ne soluksi F+(solusta tulee luovuttaja), mutta kromosomiin lokalisoituneiden geenien siirtoa ei tapahdu.

Toinen prosessi, silloin osa (harvoin kaikki) kromosomista voi siirtyä luovuttajasolusta vastaanottajalle.

Toteutusta varten toinen prosessi on kuitenkin välttämätöntä F-tekijä liitetään ensin isännän bakteerikromosomiin. Tässä tilassa olevat bakteerit on nimetty hfr(korkea rekombinaatiotaajuus). rakennettu kromosomiin F-tekijä pystyy aiheuttamaan bakteerikromosomin siirtymisen soluun F-, jossa bakteerigeenien rekombinaatio voi sitten tapahtua. Yleensä prosessi keskeytyy ennen kuin luovuttajasolun koko kromosomi ehtii ylittää. Lisäksi se osa F-tekijä, joka on vastuussa siirtymisestä, sijaitsee siirretyn kromosomin distaalipäässä ja jää yleensä luovuttajasoluun. Koska F -tekijä voidaan integroida solun kromosomiin, sitä kutsutaan episomi . Kaikilla plasmideilla ei kuitenkaan ole episomien ominaisuuksia, koska kaikki eivät pysty integroitumaan bakteerikromosomeihin.

Geneettisen materiaalin siirto määritellään tra-operoni F-plasmidit (englannista. siirtää - siirto). Plasmidi-DNA:n siirtomekanismi solusta soluun on, että erityinen proteiini koodaa tra-operoni , "tunnistaa" tietyn sekvenssin plasmidin DNA:ssa, ns alkuperä - siirron alku, eng. ( O geeni ), tuo yhden juosteen katkeamisen tähän sekvenssiin ja sitoutuu kovalenttisesti 5'-päähän. DNA-juoste, johon proteiini on sitoutunut, siirretään sitten vastaanottajasoluun, kun taas katkeamaton komplementaarinen juoste jää luovuttajasoluun. Siten klo konjugaatioita lähetetty vain yksi DNA-juoste - luovuttaja. DNA-synteesin solulaitteisto täydentää yksittäiset juosteet sekä luovuttajassa että vastaanottajassa kaksijuosteiseksi rakenteeksi.

Siirretyn juosteen 5'-päähän sitoutunut proteiini myötävaikuttaa plasmidin sulkeutumiseen vastaanottajasolussa renkaaksi. Tämä prosessi on esitetty kuvassa esimerkissä plasmidin siirtämisestä vastaanottajasoluun. F (hedelmällisyys - hedelmällisyys, englanti), mikä on kuin läpäisevä , ja integroiva plasmidi. Luovuttajasolut, joilla on F-tekijää merkitään P+-solut ja vastaanottajasolut, joilla ei ole F-tekijää, merkitään F--solut. Jos F-tekijä on luovuttajasolussa autonomisessa tilassa, niin risteytyksen seurauksena: F + × F- vastaanottajasolu saa luovuttajan ominaisuuksia (ks. kuva 5.4, 1A).

Jos F-tekijä tai muu tarttuva plasmidi liitetään luovuttajasolun kromosomiin, jolloin plasmidi ja kromosomi alkavat toimia yhtenä tarttuva replikoni , joka mahdollistaa bakteerigeenien siirtämisen plasmidittomaan vastaanottajasoluun, eli konjugaatioprosessin. Kannat, joissa plasmidi on integroidussa tilassa, siirtävät kromosomigeenit plasmidittomia soluja suurella taajuudella, ja siksi niitä kutsutaan hfr(englannista. korkea rekombinaatiotaajuus – korkea rekombinaatiotaajuus).

Kromosomigeenien siirtoprosessi risteytystapauksessa: Hfr × F- alkaa aina DNA:n katkaisemisesta samasta kohdasta, integraatiopaikasta F- tekijä tai muu transmissiivinen plasmidi. Yksi luovuttaja-DNA:n juoste siirretään konjugaatiosillan kautta vastaanottajasoluun. Prosessiin liittyy komplementaarisen juosteen lisääminen kaksijuosteisen rakenteen muodostamiseksi. Kromosomaalisten geenien siirrolla konjugaation aikana on aina sama suunta, päinvastainen kuin sisäänrakennettu plasmidi. Oma itsensä tarttuva plasmidi välitetään viimeisenä .

Vastaanottajasoluun siirretty ja kaksijuosteiseksi rakenteeksi täydennetty luovuttaja-DNA-juoste yhdistyy vastaanottajan DNA:n homologisen alueen kanssa muodostaen stabiilin geneettisen rakenteen.

Konjugaatiosilta on hauras, se murtuu helposti häiritsemättä konjugoituvien solujen elinkykyä. Siten siirretyn kromosomin eheys voidaan rikkoa siirtoprosessin aikana. Kaikki tämä selittää tekijän erittäin harvinaisen siirtymisen F alkaen Hfr-bakteerit to F-soluja, koska tämä edellyttää, että vastaanottaja hankkii sekä luovuttajan kromosomin alkuperäisen että viimeisen osan.

Yleensä Hfr-kannat lähetä korkealla taajuudella ei koko kromosomia, vaan vain lähellä sitä O-pistegeenit. Ottamalla käyttöön F- tekijä kromosomin eri osissa sai erilaisia hfr- kannat, jotka eroavat lokalisaatioltaan O-kromosomin siirtymisen pisteet ja suunta.

Siten konjugaatiosillan haurauden vuoksi sukupuolitekijä F siirretään siksi harvoin vastaanottajasoluun tuloksena oleva rekombinantti, jolla on luovuttajatoimintoja, yleensä, ei omistaa.

Johtuen geeninsiirron suunnasta konjugaatio käytetään bakteerien genomin kartoittamiseen ja geneettiseen kartoitukseen.

transduktio

Geneettisen materiaalin siirtymistä bakteerista toiseen faagien avulla kutsutaan transduktio . Muuntava faagi on eräänlainen "raitiovaunu", koska proteiinikuorensa sisällä se kantaa "satamaa" - DNA-palan edellisestä isäntäfaagista ja vie tämän DNA:n samalla tavalla kuin oman DNA:nsa faagiherkkään bakteerisoluun.

Pääominaisuus transduktioprosessit on joidenkin kypsyvien faagihiukkasten kyky (kypsyminen tapahtuu spontaanisti tai induktion seurauksena) vangitsee rajoitetun alueen isäntäbakteerin genomista ja siirrä se sukulaissoluun herkkä tälle faagille. Kyky siirtää geneettistä materiaalia luovuttajabakteereista vastaanottajabakteereihin kohtalainen faagit ja niiden mutantit.

transduktio kutsutaan bakteeri-DNA:n siirroksi kautta bakteriofagi .

Tämän prosessin löysivät vuonna 1951 N. Zinder ja J. Lederberg.

Sanan RECOMBINATION merkitys Biologian tietosanakirjassa

Faagin replikaation aikana bakteerien sisällä bakteeri-DNA:n fragmentti tulee faagipartikkeliin ja siirtyy vastaanottajabakteeriin faagiinfektion aikana. Olemassa kolme tyyppiä transduktio:

yleistä transduktio (tai ei erityisiä) - minkä tahansa bakteerikromosomin osan fragmentin siirto bakteriofagin toimesta - johtuu siitä, että bakteeri-DNA fragmentoituu faagiinfektion jälkeen ja faagi-DNA:n kokoinen pala bakteeri-DNA:ta tunkeutuu virukseen yksi, muodostava viallinen faagipartikkeli taajuudella noin 1 per 1000 faagipartikkelia . Kun vastaanottajasolu infektoidaan viallisella faagipartikkelilla, luovuttajasolun DNA "injektoidaan" siihen ja se yhdistyy homologisella rekombinaatiolla vastaanottajan kromosomin homologisen alueen kanssa muodostaen stabiilin rekombinantin. Tämän tyyppinen transduktio on R -faagit;

erityisiä transduktio - havaitaan, kun faagi-DNA integroituu bakteerikromosomiin muodostaen profagin. Eliminointiprosessissa

Tämän seurauksena faagi-DNA bakteerikromosomista satunnainen prosessi faagi-DNA:n inkluusiokohdan vieressä oleva bakteerikromosomin fragmentti vangitaan, jolloin siitä tulee viallinen faagi . Koska useimmat lauhkeat bakteriofagit integroituvat bakteerikromosomiin tietyillä alueilla, tällaisille bakteriofageille on ominaista siirtyminen vastaanottavaan soluun tiettyä aluetta luovuttajasolun bakteeri-DNA. Viallisen faagin DNA rekombinoituu vastaanottajasolun DNA:n kanssa paikkaspesifisellä rekombinaatiolla. Erityisesti bakteriofagi välittää spesifisellä transduktiolla gal -geeni y E. coli.

epäonnistunut transduktio - faagin tuoma luovuttajabakteerin DNA-fragmentti ei sisälly vastaanottajabakteerin kromosomiin, vaan sijaitsee sen sytoplasmassa ja voi toimia tässä muodossa. Bakteerisolun jakautumisen aikana transdusoitu luovuttajan DNA-fragmentti voidaan siirtää vain toiseen kahdesta tytärsolusta, ts. periytyy yksilinjaisesti ja lopulta menetetään jälkeläisiin.

Transduktio on löydetty E. coli, B. subtilis, salmonella, vibrio cholerae jne. eniten erilaisia ​​ominaisuuksia bakteerit: vastustuskyky antibiooteille, kasvutekijöiden synteesi, hiilihydraattien fermentaatio, penisillinaasin synteesi jne.

⇐ Edellinen1234

Julkaisupäivä: 2014-12-10; Lue: 871 | Sivun tekijänoikeusloukkaus

studopedia.org - Studopedia.Org - 2014-2018. (0,003 s) ...