Рекомбинация генетическая

Рекомбинация ДНК

Приоритетная роль ДНК для организма человека велика. генетического материала в молекуле определяет развитие живых существ в современном мире.

Одним из важнейших процессов появления новых генов, эволюционирования и естественного отбора является рекомбинация, которая у эукариот и бактерий представляет собой процесс обмена хромосомами путем разрыва одних и соединения с другими. Для вирусов все это возможно при помощи геномов молекулы РНК.

В этом процессе происходит смешивание исходного материала, возникновение новых способностей организмов, определяющих эволюционное развитие. Все это свойственно всем живым организмам — от простейших до высокоразвитых. На подобно явление обратили внимание изначально в начале 20 века благодаря скрещиваниям.

Ну а впервые феномен обмена информацией генов между двумя разными бактериофагами, названный генетической рекомбинацией, обнародовал нобелевский лауреат по медицине 1969 года молекулярный биолог Макс Дельбрюк.

История изучения структуры гена

Толчок к развитию генетики как науки произошел в начале 20 века, тогда стало уделяться внимание наследственным изменениям организма. Активно начали изучаться наследственные процессы, происходящие с хромосомами.

К концу двадцатых годов прошлого столетия было популярно мнение о неделимости и целостности гена при наследственной передаче. Этому способствовали результаты опытов кроссинговера (рекомбинация у эукариотов). В 1928 году была обнаружена мутация гена на примере дрозофил под воздействием рентгеновских лучей.

В 70-х годах двадцатого века в результате экспериментов в сфере бактериальной генетики был получен ряд положительных результатов в данном исследовании.

Принципы действия рекомбинации ДНК

Существует несколько способов достижения данного процесса, суть которого заключается либо в успешной замене одних участков молекулы на другие (реципрокный), либо в полном удалении какого-либо участка (нереципрокный).

  Подобная замена участков  замена характерна как для половых, так и для соматических клеток. Первый способ называется общей или гомологической рекомбинацией. Существует еще и незаконный (неправильный) путь.

Благодаря ему происходит изменение структурных перестроек молекулы ДНК — инверсия, транслокация.

Необходимость изменений молекул ДНК

Процесс замены участков молекул ДНК следует считать ответственным за наличие естественного отбора и биологическое существование всего живого. Ее также признают одним из самых таинственных явлений генетики. Генные мутации привели к многообразию, будучи совершенно бесполезными в одной сфере и неожиданно находившими применение в другой.

Рекомбинация наряду с появлением самой жизни обеспечивает все новые и новые геномные сочетания, разнообразие фенотипов, постепенно усиливая свою позицию. У эукариотов, отличных от бактерий, изменения отражены уже на последующих поколениях.

Суть важности замены участков молекул ДНК можно рассмотреть на примере организмов, для которых характерен половой или бесполый путь размножения.  Бесполые организмы (не рекомбинирующие) под воздействием мутаций вынуждены жить с неполезными генами, что снижает их шансы на выживание.

Организмы с высокой степенью рекомбинации, которым присущ половой характер размножения, отбраковывают ненужные мутационные гены в следующих поколениях, тем самым получая шансы на процветание в дальнейшем.

Практическое применение для медицины, генетики и перспективы развития

Современные условия жизни предъявляют требования к высоким познаниям, касающихся области генной инженерии. Образование все новых патогенных микроорганизмов требует создание новых лекарственных форм, что также оказывает влияние на появление новых фенотипов заболеваний и инфекций.

Одной из задач современной молекулярной медицины является изучение механизма гомологической рекомбинации. Изучения изменений структуры ДНК вносит вклад в развитие понимания характера наследственных заболеваний.

Замена «плохого наследственного» гена «хорошим» как метод лечения возможна при применении техники гомологической рекомбинации.

Факты о рекомбинации

Для генной инженерии появилась возможность создавать новые организмы с несвойственными им ранее характеристиками. Был создан рекомбинантный производимый при помощи человеческого гена инсулин.

В США и Европе начались работы над созданием трансгенных растений, впоследствии перешедшее в массовое выращивание, ученые практически завершили работы над расшифровкой генома человека. Генетически модифицированные продукты или же организмы уже давно не являются редкостью.

Известны случаи появления светящихся поросят, растений, которые светятся при необходимости поливки, зеленые обезьяны и мыши. Трансгенные сельскохозяйственные культуры производятся уже давно в огромных количествах и зачастую превосходят натуральные, даже несмотря на повсеместные протесты и запреты.

Генетическая рекомбинация • ru.knowledgr.com

Генетическая рекомбинация — производство потомков с комбинациями черт, которые отличаются от найденных в любом родителе. У эукариотов генетическая рекомбинация во время мейоза может вести, посредством полового размножения, к новому набору генетической информации, которая может быть передана через наследственность от родителей потомкам.

Большая часть перекомбинации естественна. Во время мейоза у эукариотов генетическая рекомбинация включает соединение соответственных хромосом. Это может сопровождаться информационным обменом между хромосомами.

Информационный обмен может произойти без физического обмена (раздел генетического материала скопирован от одной хромосомы до другого без изменяемой хромосомы передачи в дар) (см. путь SDSA в иллюстрации); или ломкой и возражением нитей ДНК, которое формирует новые молекулы ДНК (см. путь DHJ в иллюстрации).

Перекомбинация может также произойти во время mitosis у эукариотов, где это обычно включает две родственных хромосомы, сформированные после хромосомного повторения. В этом случае новые комбинации аллелей не произведены, так как родственные хромосомы обычно идентичны.

В мейозе и mitosis, перекомбинация происходит между соответственным, который является подобными молекулами (гомологи) ДНК. В мейозе, несестра соответственная пара хромосом друг с другом так, чтобы перекомбинация характерно произошла между неродственными гомологами. И в мейотических и в митотических клетках, перекомбинация между соответственными хромосомами — общий механизм, используемый в ремонте ДНК.

Генетическая рекомбинация и recombinational ремонт ДНК также происходят у бактерий и archaea, которые используют асексуальное воспроизводство.

Перекомбинация может быть искусственно вызвана в лаборатории (в пробирке) параметры настройки, произведя рекомбинантную ДНК в целях включая развитие вакцины.

V (D) J перекомбинация в организмах с адаптивной иммунной системой тип определенной для места генетической рекомбинации, которая помогает иммуноцитам быстро разносторонне развиться, чтобы признать и приспособиться к новым болезнетворным микроорганизмам.

Synapsis

Во время мейоза, synapsis (соединение соответственных хромосом) обычно предшествует генетической рекомбинации.

Механизм

Генетическая рекомбинация катализируется многими различными ферментами. Recombinases — ключевые ферменты, которые катализируют шаг передачи берега во время перекомбинации. RecA, главный recombinase, найденный в Escherichia coli, ответственен за ремонт ДНК двойные разрывы берега (DSBs).

В дрожжах и других эукариотических организмах там два recombinases, требуемые для восстановления DSBs. Белок RAD51 требуется для митотической и мейотической перекомбинации, тогда как белок ремонта ДНК, DMC1, определенный для мейотической перекомбинации.

В archaea ortholog бактериального белка RecA — RadA.

Хромосомный переход

У эукариотов перекомбинация во время мейоза облегчена хромосомным переходом. Пересекающийся процесс приводит к потомкам, имеющим различные комбинации генов от тех из их родителей, и может иногда производить новые фантастические аллели.

Перетасовка генов, вызванных генетической рекомбинацией, производит увеличенную наследственную изменчивость.

Это также позволяет сексуально воспроизводить организмы, чтобы избежать трещотки Мюллера, в которой геномы асексуального населения накапливают генетические удаления необратимым способом.

Хромосомный переход включает перекомбинацию между соединенными хромосомами, унаследованными от каждого из родителей, обычно происходящих во время мейоза.

Во время профазы I (pachytene стадия) четыре доступных chromatids находятся в трудном формировании друг с другом.

В то время как в этом формировании, соответственные места на двух chromatids могут близко соединиться друг с другом и могут обменять генетическую информацию.

Поскольку перекомбинация может произойти с маленькой вероятностью в любом местоположении вдоль хромосомы, частота перекомбинации между двумя местоположениями зависит от расстояния, отделяющего их. Поэтому, для генов, достаточно отдаленных на той же самой хромосоме, сумма перехода достаточно высока, чтобы разрушить корреляцию между аллелями.

Генетики могут также использовать этот метод, чтобы вывести присутствие определенных генов. Гены, которые, как правило, остаются вместе во время перекомбинации, как говорят, связаны. Один ген в связанной паре может иногда использоваться в качестве маркера, чтобы вывести присутствие другого гена.

Это, как правило, используется, чтобы обнаружить присутствие вызывающего болезнь гена.

Конверсия гена

В конверсии гена раздел генетического материала скопирован от одной хромосомы до другого без изменяемой хромосомы передачи в дар. Конверсия гена происходит в высокой частоте на фактическом месте события перекомбинации во время мейоза.

Это — процесс, которым последовательность ДНК скопирована с одной спирали ДНК (который остается неизменным) к другой спирали ДНК, последовательность которой изменена. Конверсия гена часто изучалась в грибковых крестах, где 4 продукта отдельных мейозов могут удобно наблюдаться.

События конверсии гена можно отличить как отклонения в отдельном мейозе от нормального 2:2 образец сегрегации (например, 3:1 образец).

Несоответственная перекомбинация

Перекомбинация может произойти между последовательностями ДНК, которые не содержат соответствия последовательности. Это может вызвать хромосомные перемещения, иногда приводя к раку.

В клетках b

B клетки иммунной системы выполняют генетическую рекомбинацию, названную переключением класса иммуноглобулина. Это — биологический механизм, который изменяет антитело от одного класса до другого, например, от изотипа под названием IgM к изотипу под названием IgG.

Генная инженерия

В генной инженерии перекомбинация может также относиться к искусственной и преднамеренной перекомбинации разрозненных частей ДНК, часто от различных организмов, создавая то, что называют рекомбинантной ДНК.

Главный пример такого использования генетической рекомбинации — генное планирование, которое может использоваться, чтобы добавить, удалить или иначе изменить гены организма. Эта техника важна для биомедицинских исследователей, поскольку она позволяет им изучать эффекты определенных генов.

Методы, основанные на генетической рекомбинации, также применены в разработке белка, чтобы развить новые белки биологического интереса.

Ремонт Recombinational

И во время mitosis и во время мейоза, убытки ДНК, вызванные множеством внешних агентов (например, Ультрафиолетовый свет, рентген, химические агенты поперечного соединения), могут быть возмещены соответственным ремонтом recombinational (HRR).

Эти результаты предполагают, что убытки ДНК, являющиеся результатом естественных процессов, таких как воздействие реактивных кислородных разновидностей, которые являются побочными продуктами нормального метаболизма, также возмещены HRR. В людях и грызунах, дефициты в генных продуктах, необходимых для HRR во время мейоза, вызывают бесплодие.

В людях дефициты в генных продуктах, необходимых для HRR, таких как BRCA1 и BRCA2, увеличивают риск рака (см. беспорядок дефицита ремонта ДНК).

У бактерий преобразование — процесс переноса генов, который обычно происходит между отдельными клетками тех же самых бактериальных разновидностей. Преобразование включает интеграцию ДНК дарителя в хромосому получателя перекомбинацией.

Этот процесс, кажется, адаптация к тому, чтобы возместить убытки ДНК в хромосоме получателя HRR.

Преобразование может предоставить преимущество для патогенных бактерий, позволив ремонт повреждения ДНК, особенно убытки, которые происходят в подстрекательской, окисляющейся окружающей среде, связанной с инфекцией хозяина.

Когда два или больше вируса, каждый ограничивающий летальный геномный размер ущерба, заражают ту же самую клетку — хозяина, вирусные геномы могут часто соединяться друг с другом и подвергаться HRR, чтобы произвести жизнеспособное потомство.

Этот процесс, называемый оживлением разнообразия, был изучен в бактериофагах T4 и лямбда, а также у нескольких патогенных вирусов.

В случае патогенных вирусов оживление разнообразия может быть адаптивной выгодой для вируса, так как это позволяет ремонт ущербов ДНК, нанесенных воздействием окисляющейся окружающей среды, произведенной во время инфекции хозяина.

Мейотическая перекомбинация

Молекулярные модели мейотической перекомбинации развились за эти годы как соответствующие накопленные доказательства.

Главный стимул для развития фундаментального понимания механизма мейотической перекомбинации состоит в том, что такое понимание крайне важно для решения проблемы адаптивной функции пола, главной нерешенной проблемы в биологии.

Недавняя модель, которая отражает текущее понимание, была представлена Андерсоном и Секельским, и обрисована в общих чертах в первом числе в этой статье. Данные показывают, что два из четырех chromatids, существующих рано в мейозе (профаза I), соединены друг с другом и способные взаимодействовать.

Как обозначено в первом числе, выше, два типа рекомбинантного продукта произведены. Обозначенный на правой стороне «переход» (CO) тип, где фланговые области хромосом обменены, и на левой стороне, «непереход» (ВОЕННОСЛУЖАЩИЙ СЕРЖАНТСКОГО СОСТАВА) тип, где фланговые области не обменены.

Тип CO перекомбинации включает промежуточное формирование двух “соединений Холидэя”, обозначенных в нижнем правом из числа два X имеющих форму структур в каждом, из которого есть обмен единственными берегами между двумя участием chromatids.

Этот путь маркирован в числе как DHJ (двойное-Holliday соединение) путь.

Рекомбинантные гены ВОЕННОСЛУЖАЩЕГО СЕРЖАНТСКОГО СОСТАВА (иллюстрированный слева в числе) произведены процессом, называемым “берегом иждивенца синтеза, отжигающим” (SDSA). События перекомбинации типа NCO/SDSA, кажется, более распространены, чем тип CO/DHJ.

Путь NCO/SDSA способствует мало наследственной изменчивости, так как руки хромосом, обрамляющих событие перекомбинации, остаются в родительской конфигурации.

Таким образом объяснения адаптивной функции мейоза, которые сосредотачиваются исключительно на пересечении, несоответствующие, чтобы объяснить большинство событий перекомбинации.

Achiasmy и heterochiasmy

Achiasmy — явление, где автосомальная перекомбинация абсолютно отсутствует в одном полу разновидности. Achiasmatic хромосомная сегрегация хорошо зарегистрирован в Дрозофилу мужского пола melanogaster.

Heterochiasmy — термин, использованный, чтобы описать показатели перекомбинации, которые отличаются между полами разновидности. Этот сексуальный диморфный образец в уровне перекомбинации наблюдался во многих разновидностях. У млекопитающих у женщин чаще всего есть более высокие показатели перекомбинации.

«Холден-Хаксли управляет» государствами, что achiasmy обычно происходит в heterogametic полу.

См. также

• Горячая точка перекомбинации

• Определенная для места перекомбинация

• Определенная для места recombinase технология

Внешние ссылки

• Модель Холидэя генетической рекомбинации

• Мультипликационный справочник по соответственной перекомбинации.

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.

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 G1 перед началом синтеза ДНК чрезвычайно чувствительны к действию ионизирующей радиации, тогда как те же клетки в фазе G2 перед митозом так же устойчивы к ионизирующему излучению, как и диплоидные клетки. Эти факты указывают на то, что для эффективного исправленияповреждений, 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 комплементарногоодноцепочечного 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.

Механизм сайт-специфической рекомбинации

Сайт-специфическая рекомбинация происходит между специфическими сегментами дуплексов ДНК, не имеющими протяженных гомологичных участков. Характерным примером такой рекомбинации служит встраивание кольцевой ДНК фага λ в хромосому Е. coli и ее обратное выщепление.

AttP (POP') простирается на 150 нуклеотидов влево (Р) и на 75 нуклеотидов вправо (Р') от общего ядра, a attB (BOB') – это сегмент длиной всего около 25 нуклеотидов, включая и ядро.

Поскольку нуклеотидные последовательности, фланкирующие attP- и attВ-сайты слева (attL) и справа (attR), для этих сайтов различаются, механизм рекомбинационного выщепления ДНК фага λ 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.

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 реплицирующихсягеномах 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 гомоло-

гичных последовательностей.