Генетическая рекомбинация (также известная как генетическая перетасовка ) — это обмен генетическим материалом между различными организмами , который приводит к появлению потомства с комбинациями признаков, отличающихся от тех, которые обнаружены у любого из родителей. У эукариот генетическая рекомбинация во время мейоза может привести к созданию нового набора генетической информации, которая в дальнейшем может передаваться от родителей потомству. Большая часть рекомбинации происходит естественным путем и может быть разделена на два типа: (1) межхромосомная рекомбинация, происходящая посредством независимого набора аллелей , локусы которых находятся на разных , но гомологичных хромосомах (случайная ориентация пар гомологичных хромосом в мейозе I); и (2) внутрихромосомная рекомбинация , происходящая посредством кроссинговера. [1]
Во время мейоза у эукариот генетическая рекомбинация включает спаривание гомологичных хромосом . За этим может последовать перенос информации между хромосомами. Передача информации может происходить без физического обмена (участок генетического материала копируется из одной хромосомы в другую без изменения донорской хромосомы) (см. SDSA – Путь отжига цепей, зависимый от синтеза, на рисунке); или путем разрыва и повторного соединения нитей ДНК , в результате чего образуются новые молекулы ДНК (см. Путь DHJ на рисунке).
Рекомбинация может также происходить во время митоза у эукариот, где обычно участвуют две сестринские хромосомы, образующиеся после хромосомной репликации. В этом случае новые комбинации аллелей не образуются, поскольку сестринские хромосомы обычно идентичны. При мейозе и митозе происходит рекомбинация между сходными молекулами ДНК ( гомологичными последовательностями ). В мейозе несестринские гомологичные хромосомы спариваются друг с другом, так что между несестринскими гомологами обычно происходит рекомбинация. Как в мейотических, так и в митотических клетках рекомбинация между гомологичными хромосомами является распространенным 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 , использующих бесполое размножение .
Рекомбинацию можно искусственно вызвать в лабораторных условиях ( in vitro ), производя рекомбинантную ДНК для целей, включая разработку вакцин .
Рекомбинация V(D)J у организмов с адаптивной иммунной системой представляет собой тип сайт-специфической генетической рекомбинации, которая помогает иммунным клеткам быстро диверсифицироваться, чтобы распознавать новые патогены и адаптироваться к ним .
Во время мейоза синапсис (спаривание гомологичных хромосом) обычно предшествует генетической рекомбинации.
Генетическая рекомбинация катализируется множеством различных ферментов . Рекомбиназы являются ключевыми ферментами, которые катализируют стадию переноса цепи во время рекомбинации. RecA , основная рекомбиназа, обнаруженная в Escherichia coli , отвечает за восстановление двухцепочечных разрывов ДНК (DSB). У дрожжей и других эукариотических организмов для восстановления DSB необходимы две рекомбиназы. Белок RAD51 необходим для митотической и мейотической рекомбинации, тогда как белок репарации ДНК DMC1 специфичен для мейотической рекомбинации. У архей ортологом бактериального белка RecA является RadA.
У бактерий наблюдаются регулярные бактериальные рекомбинации , а также неэффективный перенос генетического материала , выражающийся в неудачном переносе или абортивном переносе, который представляет собой любую передачу бактериальной ДНК клетки -донора реципиентам, которые установили поступающую ДНК как часть генетического материала клетки-донора. получатель. Абортивный перенос был зарегистрирован при последующей трансдукции и конъюгации. Во всех случаях передаваемый фрагмент разбавляется ростом культуры. [2] [3] [4]
У эукариот рекомбинация во время мейоза облегчается хромосомным кроссинговером . Процесс скрещивания приводит к тому, что потомство имеет комбинации генов, отличные от комбинаций генов его родителей, и иногда может производить новые химерные аллели . Перетасовка генов, вызванная генетической рекомбинацией, приводит к увеличению генетической изменчивости . Это также позволяет организмам, размножающимся половым путем , избежать «трещотки Мюллера» , при которой геномы бесполой популяции имеют тенденцию накапливать со временем более вредные мутации, чем другие типы полезных или обращающих мутаций.
Хромосомный кроссинговер включает рекомбинацию между парными хромосомами , унаследованными от каждого из родителей, обычно происходящую во время мейоза . Во время профазы I (стадия пахитены) четыре доступные хроматиды находятся в тесном контакте друг с другом. В этом формировании гомологичные сайты на двух хроматидах могут тесно спариваться друг с другом и обмениваться генетической информацией. [5]
Поскольку рекомбинация может произойти с небольшой вероятностью в любом месте хромосомы, частота рекомбинации между двумя местами зависит от расстояния, разделяющего их. Следовательно, для генов, достаточно удаленных на одной хромосоме, степень кроссинговера достаточно высока, чтобы разрушить корреляцию между аллелями .
Отслеживание движения генов в результате скрещивания оказалось весьма полезным для генетиков. Поскольку два гена, расположенные близко друг к другу, с меньшей вероятностью разделятся, чем гены, расположенные дальше друг от друга, генетики могут приблизительно определить, насколько далеко друг от друга находятся два гена в хромосоме, если им известна частота кроссинговеров. 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 присутствия другого гена. Обычно это используется для обнаружения присутствия гена, вызывающего заболевание. [6]
Частота рекомбинации между двумя наблюдаемыми локусами представляет собой значение кроссинговера . Это частота кроссинговера между двумя связанными 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 верно для значения кроссинговера, которое используется при создании генетических карт . [2] [7]
При конверсии генов участок генетического материала копируется из одной хромосомы в другую без изменения донорской хромосомы. Преобразование генов происходит с высокой частотой в фактическом месте рекомбинации во время мейоза . Это процесс, при котором последовательность ДНК копируется из одной спирали ДНК (которая остается неизменной) в другую спираль ДНК, последовательность которой изменяется. Конверсию генов часто изучали при скрещивании грибов [8] , где можно удобно наблюдать 4 продукта отдельных мейоз. События генной конверсии можно отличить как отклонения в индивидуальном мейозе от нормального паттерна сегрегации 2:2 (например, паттерна 3:1).
Рекомбинация может происходить между последовательностями ДНК, которые не содержат гомологичных последовательностей . Это может вызвать хромосомные транслокации , иногда приводящие к раку.
В-клетки иммунной системы осуществляют генетическую рекомбинацию, называемую переключением класса иммуноглобулина . Это биологический механизм, который переводит антитело из одного класса в другой, например, с изотипа IgM на изотип IgG .
В генной инженерии рекомбинация может также относиться к искусственной и преднамеренной рекомбинации разрозненных фрагментов ДНК, часто из разных организмов, с созданием 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 позволяет им изучать влияние определенных генов. Методы, основанные на генетической рекомбинации, также применяются в белковой инженерии для разработки новых белков, представляющих биологический интерес.
Примеры включают интеграцию, опосредованную ферментом рестрикции , сборку Гибсона и клонирование Golden Gate .
Повреждения ДНК, вызванные различными экзогенными агентами (например, УФ-светом , рентгеновскими лучами , химическими сшивающими агентами), можно устранить с помощью гомологичной рекомбинационной репарации (HRR). [9] [10] Эти результаты позволяют предположить, 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 бактерий трансформация — это процесс переноса 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 к восстановлению повреждений ДНК в хромосоме-реципиенте с помощью HRR. [12] Трансформация может принести пользу патогенным бактериям, позволяя восстанавливать повреждения ДНК, особенно повреждения, которые возникают 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-хозяина, геномы вируса часто могут спариваться друг с другом и подвергаться HRR с образованием жизнеспособного потомства. Этот процесс, называемый реактивацией множественности, был изучен на бактериофагах лямбда и Т4 [13] , а также на некоторых патогенных вирусах. В случае патогенных вирусов реактивация множественности может быть адаптивной выгодой для вируса, поскольку она позволяет восстанавливать повреждения ДНК, вызванные воздействием окислительной среды, возникающей во время заражения хозяина. [12] См. также реассортимент .
Молекулярные модели мейотической рекомбинации развивались с годами по мере накопления соответствующих данных. Главным 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 биологии. Недавняя модель, отражающая современное понимание, была представлена Андерсоном и Секельски [14] и показана на первом рисунке в этой статье. На рисунке видно, 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) вверху 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 указано на первом рисунке выше, получают два типа рекомбинантного продукта. С правой стороны указан тип «кроссовер» (CO), при котором фланкирующие области хромосом заменяются, а слева - тип «нескрещивания» (NCO), при котором фланкирующие области не заменяются. CO-тип рекомбинации предполагает промежуточное образование двух «соединений Холлидея», обозначенных в правом нижнем углу рисунка двумя Х-образными структурами, в каждой из которых происходит обмен одиночными нитями между двумя участвующими хроматидами. Этот путь обозначен на рисунке как путь DHJ (двойное соединение Холлидея).
Рекомбинанты NCO (показаны слева на рисунке) производятся с помощью процесса, называемого «синтез-зависимым отжигом цепи» (SDSA). Рекомбинационные события типа NCO/SDSA, по-видимому, более распространены, чем события типа CO/DHJ. [15] Путь NCO/SDSA мало влияет на генетическую изменчивость, поскольку плечи хромосом, фланкирующие событие рекомбинации, остаются в родительской конфигурации. Таким образом, объяснения адаптивной функции мейоза, сосредоточенные исключительно на кроссинговере, недостаточны для объяснения большинства событий рекомбинации.
Ахиазмия — явление, при котором аутосомная рекомбинация полностью отсутствует у представителей одного пола. Ахиазматическая хромосомная сегрегация хорошо документирована у самцов Drosophila melanogaster . Гетерохиазмия возникает, когда скорость рекомбинации различается между полами вида. [16] Этот половой диморфизм в скорости рекомбинации наблюдался у многих видов. У млекопитающих самки чаще всего имеют более высокие показатели рекомбинации.Правило Холдейна-Хаксли» гласит, что ахиазмия обычно возникает у гетерогаметного пола . [16]
Многочисленные РНК-вирусы способны к генетической рекомбинации, когда в одной и той же клетке-хозяине присутствуют по крайней мере два вирусных генома . [17] [18] Рекомбинация в значительной степени ответственна за разнообразие РНК-вирусов и уклонение от иммунитета. [19] Рекомбинация РНК, по-видимому, является основной движущей силой в определении архитектуры генома и хода вирусной эволюции среди пикорнавирусов ( (+)ssRNA ) (например, полиовируса ). [20] У ретровирусов ((+)ssRNA) (например, ВИЧ ) повреждения генома РНК, по-видимому, можно избежать во время обратной транскрипции за счет переключения цепи, формы рекомбинации. [21] [22]
Рекомбинация также происходит у реовирусов (дцРНК) (например, реовируса), ортомиксовирусов ((-)оцРНК) (например, вируса гриппа ) [22] и коронавирусов ((+)оцРНК) (например, SARS ). [23] [24]
Рекомбинация РНК-вирусов, по-видимому, является адаптацией, позволяющей справиться с повреждением генома. [17] Переключение между нитями матрицы во время репликации генома, называемое рекомбинацией выбора копии, первоначально было предложено для объяснения положительной корреляции событий рекомбинации на коротких расстояниях в организмах с геномом ДНК (см. первый рисунок, путь SDSA ). [25]
Рекомбинация может происходить нечасто между вирусами животных одного и того же вида, но разных линий. Полученные в результате рекомбинантные вирусы могут иногда вызывать вспышки инфекции у людей. [23]
В частности, у коронавирусов рекомбинация может происходить даже среди отдаленно родственных эволюционных групп (подродов) из-за их характерного механизма транскрипции, включающего субгеномные мРНК, образующиеся путем переключения матрицы. [26] [24]
При репликации своего (+)оцРНК-генома РНК -зависимая РНК-полимераза полиовируса (RdRp) способна осуществлять рекомбинацию. Рекомбинация, по-видимому, происходит по механизму выбора копии, при котором RdRp переключает шаблоны (+)оцРНК во время синтеза отрицательной цепи. [27] Рекомбинация путем переключения цепи RdRp также происходит в (+) ssRNA растительных кармовирусов и томбусвирусов . [28]
Рекомбинация, по-видимому, является основной движущей силой в определении генетической изменчивости внутри коронавирусов, а также в способности видов коронавирусов переходить от одного хозяина к другому и, в редких случаях, в появлении новых видов, хотя механизм рекомбинации неясен. [23]
В начале 2020 года многие геномные последовательности австралийских изолятов SARS-CoV-2 имели делеции или мутации (29742G>A или 29742G>U; «G19A» или «G19U») в s2m, что позволяет предположить, что в этой РНК могла произойти рекомбинация РНК. элемент. 29742G («G19»), 29744G («G21») и 29751G («G28») были предсказаны как горячие точки рекомбинации. [29] Было высказано предположение, что в первые месяцы пандемии COVID-19 такое событие рекомбинации стало решающим шагом в эволюции способности SARS-CoV-2 заражать людей. [30] Анализ неравновесия по сцеплению подтвердил, что рекомбинация РНК с мутацией 11083G > T также способствует увеличению количества мутаций среди вирусного потомства. Результаты показывают, что мутация 11083G > T SARS-CoV-2 распространилась во время карантина на борту корабля Diamond Princess и возникла в результате рекомбинации РНК de novo под положительным давлением отбора. У трех пациентов круиза Diamond Princess две мутации, 29736G > T и 29751G > T (G13 и G28), были локализованы в 3'-подобном мотиве II-стебель-петли коронавируса (s2m) SARS-CoV-2. Хотя s2m считается высококонсервативным мотивом РНК в 3'-нетранслируемой области у многих видов коронавирусов, этот результат также предполагает, что s2m SARS-CoV-2 является горячей точкой рекомбинации/мутации РНК. [31]
Судя по предварительным наблюдениям, весь мотив связывания рецептора SARS-CoV-2 был введен в результате рекомбинации из коронавирусов панголинов . [32] Однако более подробный анализ позже опроверг это предположение и показал, что SARS-CoV-2, вероятно, развился исключительно внутри летучих мышей и практически без рекомбинации. [33] [34]
Новак и Оцуки [35] отметили, что зарождение жизни ( абиогенез ) является также началом биологической эволюции . Они отметили, что вся известная жизнь на Земле основана на биополимерах , и предположили, что любая теория происхождения жизни должна включать биологические полимеры, которые действуют как носители информации и катализаторы. Леман [36] утверждал, что рекомбинация — это эволюционное развитие, столь же древнее, как и возникновение жизни. Смаил и др. [37] предположили, что на первобытной Земле рекомбинация играла ключевую роль в распространении изначально коротких информационных полимеров (предположительно РНК ), которые были предшественниками жизни.
Эта статья включает общедоступные материалы из Science Primer. НКБИ . Архивировано из оригинала 8 декабря 2009 г.