14 ГЕНЕТИЧЕСКАЯ РЕКОМБИНАЦИЯ

14
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ
РЕКОМБИНАЦИЯ
Генетическая рекомбинация включает в себя образование новых генетических комбинаций путем перераспределения и перемещения генетического материала, содержащегося в двух генетически разных организмах.
Генетическая рекомбинация является частным процессом в природе и представляет один из ключевых механизмов образования новых особей, что является важной
предпосылкой для естественного отбора. Механизмы генетической рекомбинации различны у прокариот и эукариот.
Генетическая рекомбинация
у эукариот
У эукариот рекомбинация генетического материала
обеспечивается в первую очередь половым размножением и
транспозицией (см. главу 8). В зависимости от количества
генетического материала, участвующего в рекомбинации,
различают:
- геномную рекомбинацию – рекомбинацию наследственного материала, содержащегося в двух генетически разных организмах, в процессе оплодотворения;
- межхромосомную рекомбинацию – независимое распределение негомологичных хромосом в анафазе I мейоза;
222
-
-
внутрихромосомную рекомбинацию – рекомбинация
генов между гомологичными хромосомами во время
кроссинговера;
рекомбинацию путем транспозиции – перемещение
последовательностей ДНК в пределах одной хромосомы
или в другую хромосому.
Геномная рекомбинация
Высшие эукариоты характеризует особый механизм
размножения – половое размножение, в котором участвуют
две специализированные клетки – гаметы разного происхождения (материнского и отцовского). Слияние гаплоидных гамет носит название оплодотворения, в результате
чего образуется клетка, содержащая генетический материал
обеих гамет, зигота. Участие гамет в оплодотворении носит случайный характер и обеспечивает образование зигот с
различной генетической информацией, что представляет
собой геномную рекомбинацию.
Слияние двух гаплоидных гамет восстанавливает
диплоидный набор хромосом, характерный для вида. Последующие митозы зиготы приводят к росту и развитию
многоклеточного организма. Начиная с зиготы, все соматические клетки содержат пары гомологичных хромосом,
идентичных по структуре и содержанию генетического материала, но разных по происхождению.
Меж-и внутрихромосомная рекомбинация
У животных образование гамет происходит в гонадах из клеток-предшественниц – гаметогоний, которые
представляют собой клетки с диплоидным набором хромосом. Процесс созревания гамет происходит в мейозе. Мейоз
представляет собой процесс двух последовательных делений ядра, в результате которого уменьшается вдвое число
хромосом в дочерних клетках. Из клетки с диплоидным
223
набором хромосом (2n) образуются 4 гаметы с гаплоидным
набором хромосом (1n) (процесс обратный оплодотворению). Гаметы, образующиеся в мейозе, являются продуктом
внутри- и межхромосомных рекомбинаций. Эти виды рекомбинации происходят на различных этапах мейоза.
Мейозу предшествует интерфаза, в которой происходит репликация ДНК. Между двумя мейотическими делениями существует короткий период – интеркинез, в котором не происходит репликация ДНК.
I мейотическое деление – редукционное деление
В процессе редукционного деления происходит
уменьшение числа хромосом вдвое, меж-и внутрихромосомные рекомбинации.
Профаза I
В профазе I (рис. 14.3) мейтического деления происходят сложнейшие морфологические изменения: коньюгация гомологичных хромосом и кроссинговер. В соответствии с этими изменениями, профаза делится на 5 стадий, в
которых происходит последовательная конденсация хромосом и образование аппарата деления.
Лептотена (лептонема) – двухроматидные хромосомы конденсируются, становятся различимыми в виде тонких нитей.
Зиготена (зигонема) – представляет ключевой момент, когда между парами гомологичных хромосом (идентичных по длине, форме и структуре, но различные по происхождению – одна материнская, другая – отцовская) происходит коньюгация (синапсис). Коньюгация гомологов
осуществляется строго по всей длине, образуя биваленты
или тетрады (две гомологичные бихроматидные хромосомы) (рис. 14.1). Тесное сближение гомологов при коньюгации обеспечивается синаптонемальным комплексом, который формируется перед самой пахитеной и представляет
224
собой длинное белковое образование, состоящее из белков оси хромосом. Синаптонемальный комплекс удерживает гомологичные
хромосомы рядом, скрепляя их по
всей длине. X и Y хромосомы, не
являясь гомологами, во время коньюгации соединяются своими
концами между собой, образуя бивалент – "половой пузырек".
Пахитена (пахинема) –
характеризуется реципрокным обменом фрагментами гомологичных хромосом – кроссинговером,
Рис. 14.1. Структура биваленпредставляющим
внутрихромота (тетрада)
сомную рекомбинацию генетического материала. Таким образом, каждая из хромосом после
кроссинговера содержит генетический материал от обоих
родителей, и новая
комбинация генов
передается следующим поколениям.
Важную роль
в процессе кроссинговера играет синаптонемальный комплекс,
который
обеспечивает структурную основу для
образования каталиРис. 14.2. Синаптонемальный комплекс
тического белкового
комплекса - реком-
225
бинационных узелков, ответственных за разрыв и перекрестное соединение гомологичных фрагментов несестринских хроматид (рис. 14.2).
Диплотена (диплонема). В диплотене гомологичные хромосомы отделяются друг от друга и расходятся, что
означает окончание синапсиса. Гомологи остаются связанными в тех местах, где произошел кроссинговер, образуя
хиазмы (рис. 14.1). Число хиазм совпадает с числом рекомбинационных узелков.
Диакинез – характеризуется терминализацией хиазм. Хиазмы перемещаются к концам хромосом. Биваленты
на этой стадии связаны только концами.
В конце профазы I происходят следующие события:
разрушение ядерной оболочки, созревание кинетохоров (по
одному кинетохору для каждой хромосомы), прикрепление
бивалентов к веретену деления.
Рис. 14.3. Чередование главных событий профазы I
Метафаза I.
В метафазе I происходит расположение бивалентов в
экваториальной плоскости – образование метафазной пластинки. Центромеры гомологичных хромосом ориентированы к противоположным полюсам. В конце метафазы I
концевые хиазмы диссоциируют и освобождают гомологичные хромосомы из бивалента (рис. 14.4).
226
Анафаза I
Анафаза I характеризуется расхождением гомологичных хромосом и передвижением
двухроматидных хромосом к полюсам
клетки (рис. 14.4). К каждому полюсу мигрирует по
одной хромосоме из пары.
У человека образуется 23
бивалента, и каждого полюса достигает по 23 двухроматидных хромосомы. Материнские и отцовские хромосомы расходятся независимо друг от друга, в результате происходит независимая комбинация негомологичных хромосом –
межхромосомная рекомбинация. Число возможных
комбинаций составляет 2n
(у человека 223 = 83 886 068
комбинаций).
Телофаза I
В телофазе I двухроматидные хромосомы расположены в близи полюсов
клетки и частично деспирализуются; происходит реорганизация ядерной мембраРис. 14.4. Механизмы расхождения
хромосом в мейозе
ны и вследствие цитокинеза
образуются 2 гаметоцита II
227
порядка с гаплоидным набором двухроматидных хромосом.
II мейотическое деление – эквационное деление.
После короткого интеркинеза оба гаметоцита II порядка вступают в эквационное деление. Второе деление
мейоза идентично митозу и обеспечивает равное распределение хроматид в клетках-гаметах (рис. 14.4).
Молекулярный механизм кроссинговера
В процессе кроссинговера участвуют две гомологичные молекулы ДНК несестринских хроматид, которые физически приближены синаптонемальным комплексом. Рекомбинации происходят между высокоспецифичными последовательностями по принципу комплементарности и выполняются с высокой точностью.
Для осуществления рекомбинации необходим разрыв
двойных спиралей ДНК, образование одноцепочечных
фрагментов и перекрестное воссоединение комплементарных последовательностей. В результате перекреста молекул
образуется крестообразная специфическая структура,
названная структурой Holliday (рис. 14.5). В зависимости
от типа разрезания этой структуры могут образоваться два
типа рекомбинантных молекул ДНК:
(1) рекомбинантная молекула с гетеродуплексными
последовательностями (содержат только одну
цепь другого происхождения);
(2) рекомбинантная молекула со взаимным обменом
двухцепочечного фрагмента.
Кроссинговер не является обязательным процессом
для всех эукариот (например, у самцов двукрылых кроссинговер не был зарегистрирован). Молекулярный механизм
регуляции, включая белки-регуляторы кроссинговера, еще
недостаточно изучен. Были описаны гомологи белков228
участников кроссинговера с белками – участниками сайтспецифической рекомбинации у E.coli.
Рис. 14.5. Модель рекомбинации, предложенная Holliday
Генетическая рекомбинация у
прокариот
У прокариот существуют несколько механизмов генетической рекомбинации, основанной на способности ДНК
образовывать гетеродуплексы при включении чужеродных
фрагментов ДНК.
Естественная рекомбинация осуществляется тогда,
когда две гомологичные молекулы ДНК присутствуют в од229
ной клетке. У бактерий естественная генетическая рекомбинация осуществляется путем переноса фрагментов ДНК из
одной клетки в другую при трансформации, коньюгации
или трансдукции (см.главу 5).
Рекомбинация путем транспозиции характеризуется вставкой новых последовательностей ДНК в молекулухозяина без наличия гомологичности между данными последовательностями (см.главу 8).
Сайт-специфическая рекомбинация реализуется
между специфическими последовательностями нуклеотидов
бактериальной ДНК и ДНК фагов. Условием рекомбинации
является наличие гомологичных последовательностей в
обеих молекулах и особого энзиматического комплекса,
способного обеспечить узнавание последовательностей для
рекомбинации.
Молекулярный механизм рекомбинаций у E. coli
Наиболее удобной моделью изучения генетической
рекомбинации является E. coli.
В процессе рекомбинации участвуют:
- двухцепочечная молекула ДНК реципиента, имеющая
сайт chi (консервативная последовательность у бактерий, локализованная через каждые 5-10 кb, состоящая из
5' GCTGGTGG3'
8 п.о.
3' CGACCACC5'
- одноцепочечный участок донорной ДНК (ДНК фага,
ДНК плазмиды);
- белковый комплекс RecBCD, состоящий из эндонуклеазы, экзонуклеазы и ДНК –геликазы;
- белок RecA катализирующий реакцию образования гетеродуплексов (рис. 14.6);
- белки SSB, стабилизирующие одноцепочечную ДНК.
230
Донорные одноцепочечные молекулы образуются
путем денатурации некоторых молекул ДНК или σ - репликации ДНК фага (см. главу 7).
Рис. 14.6. Роль белка RecA в генетической рекомбинации у бактерий
Для образования гетеродуплекса из молекулы ДНК
реципиента удаляется одна цепь, а к другой цепи - комплементарно присоединяется одноцепочечная ДНК донора.
Этапы рекомбинации:
(1) Комплекс RecBCD находит в молекуле ДНК реципиента
последовательности chi. RecBCD денатурирует двухцепочечную молекулу ДНК и разрывает одну из цепей, в
результате чего образуется свободный 3'-конец;
(2) Белок RecA обеспечивает узнавание свободного 3'-конца
и катализирует его комплементарное соединение с
фрагментом одноцепочечной ДНК донора;
(3) Донорская цепь замещает одну из цепей реципиента, образуя гетеродуплекс (рекомбинантная ДНК);
(4) Замещенная цепь реципиента удаляется.
Существует рекомбинация двухцепочечных гомологичных фрагментов ДНК, которая катализируется белковым
комплексом RuvАВС. Этот процесс идентичен механизму
кроссинговера у эукариот.
231
Контроль знаний:
1) Дайте определение: генетическая рекомбинация, синаптонемальый комплекс, рекомбинационный узелок, бивалент, гомологичные хромосомы, структура Holliday, гетеродуплекс;
2) Каково биологическое значение генетической рекомбинации?
3) Какие типы генетической рекомбинации существуют у
эукариот? А у прокариот?
4) Когда и как осуществляется кроссинговер?
5) Каково биологическое значение анафазы I?
6) Каковы условия генетической рекомбинации у бактерий?
232