Генетическая рекомбинация - Genetic recombination

Современная модель мейотической рекомбинации, инициированной двухцепочечным разрывом или разрывом, с последующим спариванием с гомологичной хромосомой и инвазией цепи, чтобы инициировать процесс рекомбинационной репарации. Ремонт разрыва может привести к кроссоверу (CO) или непересечению (NCO) фланкирующих областей. Предполагается, что рекомбинация CO происходит в рамках модели двойного холлидейского соединения (DHJ), показанной справа выше. Считается, что рекомбинанты NCO возникают в основном в рамках модели отжига зависимых цепей от синтеза (SDSA), показанной слева выше. Большинство событий рекомбинации относятся к типу SDSA.

Генетическая рекомбинация (также известная как генетическая перетасовка ) - это обмен генетическим материалом между разными организмами, который приводит к производству потомства с комбинациями признаков, которые отличаются от тех, которые обнаруживаются у любого из родителей. У эукариот генетическая рекомбинация во время мейоза может привести к новому набору генетической информации, которая может передаваться от родителей к потомству. Большая часть рекомбинации происходит в природе.

Во время мейоза у эукариот генетическая рекомбинация включает спаривание гомологичных хромосом . За этим может последовать передача информации между хромосомами. Передача информации может происходить без физического обмена (часть генетического материала копируется с одной хромосомы на другую без изменения донорной хромосомы) (см. Путь SDSA на рисунке); или путем разрыва и повторного соединения нитей ДНК , в результате чего образуются новые молекулы ДНК (см. путь DHJ на рисунке).

Рекомбинация также может происходить во время митоза у эукариот, когда она обычно включает две сестринские хромосомы, образованные после хромосомной репликации. В этом случае новые комбинации аллелей не образуются, поскольку сестринские хромосомы обычно идентичны. В мейозе и митозе рекомбинация происходит между похожими молекулами ДНК ( гомологичными последовательностями ). В мейозе несестринские гомологичные хромосомы спариваются друг с другом, так что рекомбинация обычно происходит между несестринскими гомологами. Как в мейотических, так и в митотических клетках рекомбинация между гомологичными хромосомами является обычным механизмом, используемым при репарации ДНК .

Конверсия генов - процесс, в ходе которого гомологичные последовательности становятся идентичными, также подпадает под генетическую рекомбинацию.

Генетическая рекомбинация и рекомбинационная репарация ДНК также происходят у бактерий и архей , которые используют бесполое размножение .

Рекомбинацию можно искусственно вызвать в лабораторных условиях ( in vitro ), получая рекомбинантную ДНК для целей, включая разработку вакцины .

V (D) J-рекомбинация в организмах с адаптивной иммунной системой - это тип сайт-специфической генетической рекомбинации, которая помогает иммунным клеткам быстро диверсифицироваться для распознавания новых патогенов и адаптации к ним .

Синапсис

Во время мейоза синапсис (соединение гомологичных хромосом) обычно предшествует генетической рекомбинации.

Механизм

Генетическая рекомбинация катализируется множеством различных ферментов . Рекомбиназы являются ключевыми ферментами, которые катализируют этап переноса цепи во время рекомбинации. RecA , главная рекомбиназа, обнаруженная в Escherichia coli , отвечает за репарацию двухцепочечных разрывов ДНК (DSB). В дрожжах и других эукариотических организмах для восстановления DSB необходимы две рекомбиназы. RAD51 белок необходим для митотической и мейотической рекомбинации, в то время как репарации ДНК белка, DMC1 , является специфическим для мейоза рекомбинации. В архее ортологом бактериального белка RecA является RadA.

Бактериальная рекомбинация

В Бактерии есть:

  • регулярная бактериальная рекомбинация , а также неэффективный перенос генетического материала , выраженный как
  • неудачный перенос или прерванный перенос, который представляет собой любой перенос бактериальной ДНК реципиентов донорских клеток , которые установили входящую ДНК как часть генетического материала реципиента. Прерывистый перенос зарегистрирован при последующей трансдукции и конъюгации. Во всех случаях передаваемый фрагмент разбавляется ростом культуры.

Хромосомный кроссовер

У эукариот рекомбинации во время мейоза способствует хромосомный кроссовер . Процесс кроссовера приводит к тому, что потомство имеет комбинации генов, отличные от генов их родителей, и иногда может производить новые химерные аллели . Перестановка генов, вызванная генетической рекомбинацией, приводит к увеличению генетической изменчивости . Она также позволяет размножающихся половым путем организмы , чтобы избежать трещотки Мюллера , в котором геномы из с бесполой популяции аккумулировать генетические делеции необратимым образом.

Хромосомный кроссовер включает рекомбинацию между парными хромосомами, унаследованными от каждого из родителей, обычно происходящую во время мейоза . Во время профазы I (стадия пахитена) четыре доступные хроматиды находятся в плотном образовании друг с другом. Находясь в этом образовании, гомологичные сайты на двух хроматидах могут тесно спариваться друг с другом и могут обмениваться генетической информацией.

Поскольку рекомбинация может происходить с небольшой вероятностью в любом месте вдоль хромосомы, частота рекомбинации между двумя местоположениями зависит от расстояния, разделяющего их. Следовательно, для генов, достаточно удаленных на одной и той же хромосоме, степень кроссовера достаточно высока, чтобы разрушить корреляцию между аллелями .

Отслеживание движения генов в результате кроссоверов оказалось весьма полезным для генетиков. Поскольку два гена, которые находятся близко друг к другу, с меньшей вероятностью разделятся, чем гены, которые находятся дальше друг от друга, генетики могут приблизительно определить, насколько далеко друг от друга находятся два гена на хромосоме, если они знают частоту кроссоверов. Генетики также могут использовать этот метод, чтобы сделать вывод о наличии определенных генов. Говорят, что гены, которые обычно остаются вместе во время рекомбинации, связаны. Один ген в связанной паре иногда можно использовать в качестве маркера для определения наличия другого гена. Обычно это используется для обнаружения наличия болезнетворного гена.

Частота рекомбинации между двумя наблюдаемыми локусами является величиной кроссинговера . Это частота кроссинговера между двумя сцепленными генными локусами ( маркерами ) и зависит от взаимного расстояния наблюдаемых генетических локусов . Для любого фиксированного набора генетических и экологических условий рекомбинация в определенной области структуры сцепления ( хромосомы ) имеет тенденцию быть постоянной, и то же самое справедливо для значения кроссинговера, которое используется при создании генетических карт .

Преобразование гена

При преобразовании генов часть генетического материала копируется с одной хромосомы на другую без изменения донорной хромосомы. Конверсия гена происходит с высокой частотой на месте фактического события рекомбинации во время мейоза . Это процесс, при котором последовательность ДНК копируется с одной спирали ДНК (которая остается неизменной) в другую спираль ДНК, последовательность которой изменяется. Конверсия генов часто изучалась при скрещивании грибов, где легко можно было наблюдать 4 продукта индивидуальных мейозов. События генной конверсии можно различить как отклонения в индивидуальном мейозе от нормального паттерна сегрегации 2: 2 (например, паттерна 3: 1).

Негомологичная рекомбинация

Рекомбинация может происходить между последовательностями ДНК, не имеющими гомологии последовательностей . Это может вызвать хромосомные транслокации , иногда приводящие к раку.

В В-клетках

В - клетки по иммунной системы выполняют генетическую рекомбинацию, называемый иммуноглобулин класса коммутации . Это биологический механизм, который изменяет антитело из одного класса в другой, например, с изотипа, называемого IgM, на изотип, называемый IgG .

Генная инженерия

В генной инженерии рекомбинация также может относиться к искусственной и преднамеренной рекомбинации разрозненных фрагментов ДНК, часто из разных организмов, с образованием так называемой рекомбинантной ДНК . Ярким примером такого использования генетической рекомбинации является нацеливание на гены , которое можно использовать для добавления, удаления или иного изменения генов организма. Этот метод важен для биомедицинских исследователей, поскольку он позволяет им изучать эффекты определенных генов. Методы, основанные на генетической рекомбинации, также применяются в белковой инженерии для разработки новых белков, представляющих биологический интерес.

Рекомбинационная репарация

Повреждения ДНК, вызванные множеством экзогенных агентов (например, ультрафиолетовым светом , рентгеновскими лучами , химическими сшивающими агентами), могут быть восстановлены посредством гомологичной рекомбинационной репарации (HRR). Эти данные свидетельствуют о том, что повреждения ДНК, возникающие в результате естественных процессов , таких как воздействие активных форм кислорода, которые являются побочными продуктами нормального метаболизма, также восстанавливаются с помощью HRR. У людей дефицит генных продуктов, необходимых для HRR во время мейоза, вероятно, вызывает бесплодие. У людей дефицит генных продуктов, необходимых для HRR, таких как BRCA1 и BRCA2 , увеличивает риск рака (см. Расстройство дефицита репарации ДНК ).

У бактерий трансформация - это процесс передачи генов, который обычно происходит между отдельными клетками одного и того же вида бактерий. Трансформация включает интеграцию донорской ДНК в хромосому реципиента путем рекомбинации. Этот процесс, по-видимому, является адаптацией для восстановления повреждений ДНК в хромосоме реципиента с помощью HRR. Трансформация может принести пользу патогенным бактериям, позволяя восстановить повреждение ДНК, особенно повреждения, возникающие в воспалительной окислительной среде, связанной с инфекцией хозяина.

Когда два или более вируса, каждый из которых содержит летальные геномные повреждения, заражают одну и ту же клетку-хозяин, вирусные геномы часто могут спариваться друг с другом и подвергаться HRR для получения жизнеспособного потомства. Этот процесс, называемый реактивацией множественности, был изучен на бактериофагах лямбда и Т4 , а также на нескольких патогенных вирусах. В случае патогенных вирусов реактивация множественности может быть адаптивным преимуществом для вируса, поскольку она позволяет восстанавливать повреждения ДНК, вызванные воздействием окислительной среды, образующейся во время инфекции хозяина. См. Также перегруппировку .

Мейотическая рекомбинация

Молекулярные модели мейотической рекомбинации развивались с годами по мере накопления соответствующих доказательств. Основным стимулом для развития фундаментального понимания механизма мейотической рекомбинации является то, что такое понимание имеет решающее значение для решения проблемы адаптивной функции пола, основной нерешенной проблемы в биологии. Недавняя модель, которая отражает текущее понимание, была представлена ​​Андерсоном и Секельски и обрисована в общих чертах на первом рисунке в этой статье. На рисунке показано, что две из четырех хроматид, присутствующих в начале мейоза (профаза I), спарены друг с другом и способны взаимодействовать. Рекомбинация в этой версии модели инициируется двухцепочечным разрывом (или разрывом), показанным в молекуле ДНК (хроматиде) в верхней части первого рисунка в этой статье. Однако другие типы повреждений ДНК также могут инициировать рекомбинацию. Например, межцепочечная сшивка (вызванная воздействием сшивающего агента, такого как митомицин С) может быть восстановлена ​​с помощью HRR.

Как показано на первом рисунке выше, получают два типа рекомбинантного продукта. С правой стороны указан тип «кроссовера» (CO), при котором фланкирующие области хромосом обмениваются, а с левой стороны - тип «без кроссовера» (NCO), при котором фланкирующие области не обмениваются. CO-тип рекомбинации включает промежуточное образование двух «соединений Холлидея», обозначенных в правом нижнем углу рисунка двумя X-образными структурами, в каждой из которых происходит обмен одиночными цепями между двумя участвующими хроматидами. Этот путь обозначен на рисунке как путь DHJ (двойное соединение Холлидея).

Рекомбинанты NCO (проиллюстрированы слева на рисунке) получают с помощью процесса, называемого «зависимым от синтеза отжигом цепи» (SDSA). События рекомбинации типа NCO / SDSA, по-видимому, более распространены, чем тип CO / DHJ. Путь NCO / SDSA мало способствует генетической изменчивости, поскольку плечи хромосом, фланкирующие событие рекомбинации, остаются в родительской конфигурации. Таким образом, объяснения адаптивной функции мейоза, которые сосредоточены исключительно на кроссинговере, неадекватны для объяснения большинства событий рекомбинации.

Ахиазмия и гетерохиазмия

Ахиазмия - это явление, при котором аутосомная рекомбинация полностью отсутствует у одного пола вида. Ахиазматическая хромосомная сегрегация хорошо документирована у самцов Drosophila melanogaster . Гетерохиазмия возникает, когда скорость рекомбинации различается между полами вида. Этот половой диморфный паттерн в скорости рекомбинации наблюдается у многих видов. У млекопитающих у самок чаще наблюдается более высокая скорость рекомбинации. «Холдейн-Хаксли правило» гласит , что achiasmy обычно происходит в гетерогаметном сексе .

Рекомбинация РНК-вируса

Многие РНК-вирусы способны к генетической рекомбинации, когда в одной и той же клетке-хозяине присутствуют по крайней мере два вирусных генома . Рекомбинация РНК-вируса происходит во время обратной транскрипции и опосредуется ферментом обратной транскриптазой. Рекомбинация происходит, когда обратная транскриптаза перескакивает с генома РНК одного вируса на геном РНК другого вируса, что приводит к событию «переключения матрицы» и одной цепи ДНК, которая содержит последовательности из обоих геномов вирусной РНК. Рекомбинация в значительной степени отвечает за разнообразие РНК-вирусов и уклонение от иммунитета. Рекомбинация РНК, по-видимому, является основной движущей силой в определении архитектуры генома и курса вирусной эволюции среди пикорнавиридов ( (+) оцРНК ) (например, полиовируса ). У retroviridae ((+) ssRNA) (например, ВИЧ ) во время обратной транскрипции, по- видимому, избегают повреждения генома РНК путем переключения цепей, одной из форм рекомбинации.

Рекомбинация также происходит у реовирусов (дцРНК) (например, реовируса), ортомиксовирусов ((-) оцРНК) (например, вируса гриппа ) и коронавирусов ((+) оцРНК) (например, SARS ).

Рекомбинация в РНК-вирусах, по-видимому, является адаптацией для борьбы с повреждением генома. Переключение между цепями матрицы во время репликации генома, называемое рекомбинацией с выбором копии, было первоначально предложено для объяснения положительной корреляции событий рекомбинации на коротких расстояниях в организмах с геномом ДНК (см. Первый рисунок, путь SDSA ). Модель принудительного выбора копии предполагает, что обратная транскриптаза претерпевает переключение матрицы, когда встречает разрыв в последовательности вирусной РНК. Таким образом, модель принудительного выбора копии подразумевает, что рекомбинация необходима для целостности и выживания вируса, поскольку она способна корректировать геномные повреждения для создания провирусной ДНК. Другая модель рекомбинации противостоит этой идее и вместо этого предполагает, что рекомбинация происходит спорадически, когда два домена обратной транскриптазы, РНКазы H и полимеразы, различаются по скорости их активности. Это заставляет фермент обратной транскриптазы переходить с одной цепи РНК на вторую. Эта вторая модель рекомбинации называется моделью динамического выбора. Исследование Rawson et al. определили, что обе модели рекомбинации верны для рекомбинации ВИЧ-1 и что рекомбинация необходима для репликации вируса.

Рекомбинация может происходить нечасто между вирусами животных одного и того же вида, но разных ветвей. Полученные рекомбинантные вирусы могут иногда вызывать вспышку инфекции у людей.

При тиражировании его (+) оцРНК генома , то полиовируса РНК-зависимой РНК - полимераза (RdRp) способна осуществлять рекомбинацию. Рекомбинация, по-видимому, происходит с помощью механизма выбора копии, в котором RdRp переключает (+) матрицы ssRNA во время синтеза отрицательной цепи. Рекомбинация путем переключения цепи RdRp также происходит в (+) оцРНК растительных кармовирусов и томбусвирусов .

Рекомбинация, по-видимому, является основной движущей силой в определении генетической изменчивости внутри коронавирусов, а также способности видов коронавируса переходить от одного хозяина к другому и, нечасто, для появления новых видов, хотя механизм рекомбинации неясен. Было высказано предположение, что в первые месяцы пандемии COVID-19 такое событие рекомбинации стало решающим шагом в эволюции способности SARS-CoV-2 инфицировать людей. На основании предварительных наблюдений, весь рецепторный связывающий мотив SARS-CoV-2 оказался введен путем рекомбинации из коронавирусов панголинов . Однако более подробный анализ позже опроверг это предположение и показал, что SARS-CoV-2, вероятно, развился исключительно у летучих мышей и с небольшой рекомбинацией или без нее.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

Всеобщее достояние Эта статья включает материалы, являющиеся  общественным достоянием, из документа NCBI : Science Primer .