Генетическая рекомбинация (также известная как генетическая перетасовка ) — это обмен генетическим материалом между разными 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 с одной хромосомы на 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 наблюдается регулярная генетическая рекомбинация, а также неэффективный перенос генетического материала , выражающийся в неудачном переносе или абортивном переносе, под которым понимается любой перенос бактериальной ДНК клетки -донора реципиентам, которые установили поступающую ДНК как часть генетического материала клетки-донора. получатель. [ нужна цитата ] [ нужны разъяснения ] Абортивный перенос был зарегистрирован при следующей трансдукции и конъюгации. [ необходимы разъяснения ] 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 . [ нужна цитата ] 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 полезные или обращающие мутации. [ нужна цитата ]
Хромосомный кроссинговер включает рекомбинацию между парными хромосомами , унаследованными от каждого из родителей, обычно происходящую во время мейоза . [ нужна цитация ] Во время профазы I (стадия пахитены) четыре доступных хроматиды находятся в тесном контакте друг с другом. [ нужна цитация ] В этом формировании гомологичные сайты на двух хроматидах могут тесно спариваться друг с другом и могут обмениваться генетической информацией. [5]
Поскольку существует небольшая вероятность рекомбинации в любом месте хромосомы, частота рекомбинации между двумя местами зависит от расстояния, разделяющего их. [ нужна цитата ] Следовательно, для генов, достаточно удаленных на одной и той же хромосоме, количество кроссинговера достаточно велико, чтобы разрушить корреляцию между аллелями. [ нужна цитата ]
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. [ нужна цитация ] 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 наличия 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 расстояния между наблюдаемыми генетическими локусами . 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 в себя 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 .
Молекулярная модель механизма мейотической рекомбинации, представленная Андерсоном и Секельским [14], представлена на первом рисунке в этой статье. Две из четырех хроматид, присутствующих на ранних стадиях мейоза (профаза I), спарены друг с другом и способны взаимодействовать. Рекомбинация в этой модели инициируется двухцепочечным разрывом (или разрывом), показанным в молекуле ДНК (хроматиде) в верхней части рисунка. 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.
Получают два типа рекомбинантного продукта. С правой стороны указан тип «кроссинговер» (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 была эволюционным развитием, столь же древним, как и возникновение жизни. Смаил и др. [37] предположили, что на первичной 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.