Хромосомный кроссинговер , или кроссинговер , — это обмен генетическим материалом во время полового размножения между несестринскими хроматидами двух гомологичных хромосом , в результате которого образуются рекомбинантные хромосомы . Это одна из заключительных фаз генетической рекомбинации , которая происходит на стадии пахитены профазы I мейоза во время процесса, называемого синапсисом . Синапсис начинается до того, как развивается синаптонемный комплекс , и не завершается почти до конца профазы I. Кроссовер обычно происходит, когда совпадающие области на совпадающих хромосомах разрываются, а затем снова соединяются с другой хромосомой.
Кроссинговер теоретически был описан Томасом Хантом Морганом ; термин «кроссовер» был придуман Морганом и Элет Кеттелл. [3] Хант опирался на открытие Франса Альфонса Янсенса , который описал это явление в 1909 году и назвал его «хиазматипией». [4] Термин «хиазма» связан, если не тождественен, с хромосомным кроссинговером. Морган сразу увидел большое значение цитологической интерпретации хиазм Янсенса для экспериментальных результатов его исследований наследственности дрозофилы . Физическая основа кроссинговера была впервые продемонстрирована Гарриет Крейтон и Барбарой МакКлинток в 1931 году. [5]
Связанная частота кроссинговера между двумя генными локусами ( маркерами ) представляет собой величину кроссинговера . Для фиксированного набора генетических и условий окружающей среды 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 . [6] [7]
Когда Хотта и др. в 1977 году сравнив мейотический кроссинговер ( рекомбинацию ) у лилий и мышей, они пришли к выводу, что разнообразные эукариоты имеют общий образец. [8] Это открытие предполагает, что хромосомный кроссинговер является общей характеристикой эукариотического мейоза.
Существуют две популярные и пересекающиеся теории, объясняющие происхождение кроссинговера, исходящие из разных теорий происхождения мейоза . Первая теория основана на идее, что мейоз развился как еще один метод репарации ДНК , и, таким образом, кроссинговер является новым способом замены возможно поврежденных участков ДНК. [9] Вторая теория исходит из идеи, что мейоз развился в результате бактериальной трансформации с функцией распространения разнообразия. [9]
В 1931 году Барбара МакКлинток открыла триплоидное растение кукурузы. Она сделала ключевые выводы относительно кариотипа кукурузы, включая размер и форму хромосом. МакКлинток использовал профазную и метафазную стадии митоза для описания морфологии хромосом кукурузы, а позже продемонстрировал первую в истории цитологическую демонстрацию кроссинговера при мейозе. Работая со студенткой Харриет Крейтон, МакКлинток также внес значительный вклад в раннее понимание взаимозависимости связанных генов.
Кроссинговер и репарация ДНК — очень похожие процессы, в которых используются одни и те же белковые комплексы. [10] [11] В своем отчете «Значение ответов генома на вызов» МакКлинток изучала кукурузу, чтобы показать, как геном кукурузы будет меняться, чтобы преодолеть угрозы ее выживанию. Она использовала 450 самоопыляемых растений, получивших от каждого родителя по хромосоме с разорванным концом. Она использовала модифицированные образцы экспрессии генов на разных участках листьев своих растений кукурузы, чтобы показать, что мобильные элементы («контролирующие элементы») прячутся в геноме, а их подвижность позволяет им изменять действие генов в разных локусах. Эти элементы также могут реструктурировать геном — от нескольких нуклеотидов до целых сегментов хромосомы. Рекомбиназы и примазы закладывают основу нуклеотидов последовательности ДНК. Одним из таких конкретных белковых комплексов, консервативных между процессами, является RAD51 , хорошо консервативный белок рекомбиназы, который, как было показано, играет решающую роль в репарации ДНК, а также в кроссинговере. [12] Несколько других генов D. melanogaster также связаны с обоими процессами, показывая, что мутанты в этих конкретных локусах не могут подвергаться репарации ДНК или кроссинговеру. К таким генам относятся mei-41, mei-9, hdm, spnA и brca2. [ нужна цитата ] Эта большая группа консервативных генов между процессами поддерживает теорию тесной эволюционной связи. Более того, было обнаружено, что репарация и кроссинговер ДНК благоприятствуют сходным участкам хромосом. В эксперименте с использованием радиационного гибридного картирования на хромосоме 3B пшеницы ( Triticum aestivum L. ) было обнаружено, что кроссинговер и репарация ДНК происходят преимущественно в одних и тех же участках. [13] Кроме того, кроссинговер может происходить в ответ на стрессовые и, вероятно, повреждающие ДНК условия [14] [15]
Процесс бактериальной трансформации также имеет много общего с хромосомным кроссинговером, особенно в образовании выступов по бокам разорванной цепи ДНК, позволяющих отжигать новую цепь. Сама бактериальная трансформация много раз была связана с восстановлением ДНК. [ нужна цитация ] Вторая теория исходит из идеи, что мейоз развился в результате бактериальной трансформации с функцией распространения генетического разнообразия. [9] [16] Таким образом, эти данные позволяют предположить, что речь идет о том, связан ли кроссинговер с репарацией ДНК или бактериальной трансформацией, поскольку эти два явления не являются взаимоисключающими. Вполне вероятно, что кроссинговер возник в результате бактериальной трансформации, которая, в свою очередь, развилась в результате репарации ДНК, что объясняет связь между всеми тремя процессами.
Мейотическая рекомбинация может быть инициирована двухцепочечными разрывами, которые вводятся в ДНК при воздействии повреждающих ДНК агентов [9] или белка Spo11 . [17] Одна или несколько экзонуклеаз затем переваривают 5'-концы , образовавшиеся в результате двухцепочечных разрывов, с образованием 3'-хвостов одноцепочечной ДНК (см. диаграмму). Специфичная для мейоза рекомбиназа Dmc1 и общая рекомбиназа Rad51 покрывают одноцепочечную ДНК, образуя нуклеопротеиновые нити. [18] Рекомбиназы катализируют инвазию противоположной хроматиды одноцепочечной ДНК с одного конца разрыва. Затем 3'-конец вторгшейся ДНК запускает синтез ДНК, вызывая смещение комплементарной цепи, которая впоследствии отжигается с одноцепочечной ДНК, образовавшейся на другом конце первоначального двухцепочечного разрыва. В результате образуется структура перекрестного обмена , также известная как соединение Холлидея . Контакт между двумя хроматидами, которые вскоре подвергнутся кроссинговеру, известен как хиазма . Соединение Холлидея представляет собой тетраэдрическую структуру, которую могут «тянуть» другие рекомбиназы, перемещая ее вдоль четырехцепочечной структуры.
Белки MSH4 и MSH5 образуют гетероолигомерную структуру ( гетеродимер ) у дрожжей и человека. [19] [20] [21] В дрожжах Saccharomyces cerevisiae MSH4 и MSH5 действуют специфически, облегчая кроссовер между гомологичными хромосомами во время мейоза . [19] Комплекс MSH4/MSH5 связывает и стабилизирует двойные соединения Холлидея и способствует их разрешению в продукты кроссинговера. Гипоморфный (частично функциональный) мутант MSH4 S. cerevisiae показал 30%-ное снижение числа кроссинговеров по всему геному и большое количество мейозов с необменными хромосомами. [22] Тем не менее, этот мутант дал начало моделям жизнеспособности спор , что позволяет предположить, что сегрегация необменных хромосом происходит эффективно. Таким образом, у S. cerevisiae правильная сегрегация, по-видимому, не полностью зависит от кроссоверов между гомологичными парами.
Кузнечика Melanoplus femur-rubrum подвергали воздействию острой дозы рентгеновских лучей на каждой отдельной стадии мейоза и измеряли частоту хиазм . [23] Было обнаружено , что облучение на стадиях лептотены - зиготены мейоза (то есть до периода пахитены , в котором происходит кроссоверная рекомбинация) увеличивает частоту последующих хиазм. Аналогично, у кузнечика Chorthippus brunneus воздействие рентгеновского излучения на стадиях зиготены-ранней пахитены вызывало значительное увеличение средней частоты хиазм клеток. [24] Частоту хиазм оценивали на более поздних стадиях диплотен-диакинеза мейоза. Эти результаты позволяют предположить, что рентгеновские лучи вызывают повреждения ДНК, которые восстанавливаются перекрестным путем, приводящим к образованию хиазм.
Двухцепочечные разрывы (DSB) восстанавливаются двумя путями с образованием кроссинговеров у эукариот. [25] Большинство из них репарируются гомологами MutL MLH1 и MLH3, что определяет кроссинговеры класса I. Остальные являются результатом пути класса II, который регулируется эндонуклеазой MUS81 и транслоказой FANCM . Между этими двумя путями существуют взаимосвязи — кроссоверы класса I могут компенсировать потерю пути класса II. У мышей, нокаутных по MUS81, кроссоверы класса I повышены, тогда как общее количество кроссоверов в хиазмах нормальное. Однако механизмы, лежащие в основе этих перекрестных помех, недостаточно изучены. Недавнее исследование предполагает, что в этой регуляции может участвовать каркасный белок SLX4. [26] В частности, мыши с нокаутом SLX4 в значительной степени фенокопируют нокаут MUS81 — опять же, повышенный уровень кроссинговеров класса I при нормальном количестве хиазм. У мышей с нокаутом по FANCM путь класса II гиперактивирован, что приводит к увеличению числа кроссинговеров, независимых от пути MLH1/MLH3. [27]
У большинства эукариот клетка несет две версии каждого гена , каждая из которых называется аллелью . Каждый родитель передает по одному аллелю каждому потомку. Отдельная гамета наследует полный гаплоидный набор аллелей на хромосомах, которые независимо выбираются из каждой пары хроматид , выстроенных в метафазную пластинку. Без рекомбинации все аллели этих генов, сцепленных в одной хромосоме, наследовались бы вместе. Мейотическая рекомбинация обеспечивает более независимое разделение между двумя аллелями, занимающими позиции отдельных генов, поскольку рекомбинация перемещает содержимое аллелей между гомологичными хромосомами.
Рекомбинация приводит к новому расположению материнских и отцовских аллелей в одной хромосоме. Хотя одни и те же гены появляются в одном и том же порядке, некоторые аллели различаются. Таким образом, теоретически возможно иметь любую комбинацию родительских аллелей у потомства, и тот факт, что два аллеля появляются вместе у одного потомка, не оказывает никакого влияния на статистическую вероятность того , что у другого потомства будет такая же комбинация. Этот принцип « независимого ассортимента » генов является фундаментальным для генетического наследования. [28] Однако частота рекомбинации на самом деле не одинакова для всех комбинаций генов. Это приводит к понятию « генетической дистанции », которая является мерой частоты рекомбинации , усредненной по (достаточно большой) выборке родословных. Грубо говоря, можно сказать, что это происходит потому, что на рекомбинацию большое влияние оказывает близость одного гена к другому. Если два гена расположены близко друг к другу на хромосоме, вероятность того, что событие рекомбинации разделит эти два гена, меньше, чем если бы они были дальше друг от друга. Генетическая связь описывает тенденцию наследования генов вместе в результате их расположения на одной хромосоме. Неравновесие по сцеплению описывает ситуацию, в которой некоторые комбинации генов или генетических маркеров встречаются в популяции более или менее часто, чем можно было бы ожидать, учитывая их расстояние друг от друга. Эта концепция применяется при поиске гена, который может вызвать то или иное заболевание . Это делается путем сравнения возникновения определенной последовательности ДНК с появлением заболевания. Когда обнаруживается высокая корреляция между ними, вполне вероятно, что соответствующая последовательность гена действительно ближе [28].
Кроссинговеры обычно происходят между гомологичными областями совпадающих хромосом , но сходство последовательностей и другие факторы могут привести к несовпадению выравниваний. Большая часть ДНК состоит из последовательностей пар оснований , повторяющихся очень большое количество раз. [29] Эти повторяющиеся сегменты, часто называемые спутниками, довольно однородны среди видов. [29] Во время репликации ДНК каждая нить ДНК используется в качестве матрицы для создания новых нитей с использованием частично консервативного механизма; правильное функционирование этого процесса приводит к образованию двух идентичных парных хромосом, часто называемых сестрами. Известно, что события кроссинговера сестринских хроматид происходят со скоростью несколько событий кроссовера на клетку на деление у эукариот. [29] Большинство этих событий включают обмен равными объемами генетической информации, но неравный обмен может произойти из-за несоответствия последовательностей. Их называют по-разному, включая негомологичный кроссинговер, неравный кроссинговер и несбалансированную рекомбинацию, и они приводят к вставке или удалению генетической информации в хромосоме. Хотя эти мутации редки по сравнению с гомологичными событиями кроссовера, они являются радикальными и затрагивают множество локусов одновременно. Они считаются основной движущей силой генерации дупликаций генов и являются общим источником мутаций внутри генома . [30]
Конкретные причины негомологичного кроссовера неизвестны, но известно, что несколько влиятельных факторов увеличивают вероятность неравного кроссовера. Одним из распространенных векторов, приводящих к несбалансированной рекомбинации, является восстановление двухцепочечных разрывов (DSB). [31] DSB часто восстанавливаются с помощью репарации, направленной на гомологию, - процесса, который включает в себя инвазию цепи матрицы в цепь DSB (см. рисунок ниже). Близлежащие гомологичные участки цепи матрицы часто используются для репарации, что может привести к вставкам или делециям в геноме, если используется негомологичная, но комплементарная часть цепи матрицы. [31] Сходство последовательностей играет важную роль в кроссовере: события кроссовера с большей вероятностью происходят в длинных участках гена, имеющих близкую идентичность. [32] Это означает, что любой участок генома с длинными участками повторяющейся ДНК склонен к событиям кроссинговера.
Наличие мобильных элементов является еще одним влиятельным элементом негомологичного кроссовера. Повторяющиеся области кода характеризуют мобильные элементы; комплементарные, но негомологичные области встречаются внутри транспозонов повсеместно. Поскольку хромосомные области, состоящие из транспозонов, содержат большое количество идентичного повторяющегося кода в конденсированном пространстве, считается, что области транспозонов, подвергающиеся кроссинговеру, более склонны к ошибочному комплементарному совпадению; [33] , то есть участок хромосомы, содержащий множество идентичных последовательностей, в случае кроссинговера с меньшей вероятностью совпадет с совершенно гомологичным участком комплементарного кода и более склонен к связыванию с участком код на несколько ином участке хромосомы. Это приводит к несбалансированной рекомбинации, поскольку генетическая информация может быть либо вставлена, либо удалена в новую хромосому, в зависимости от того, где произошла рекомбинация.
Хотя мотивирующие факторы неравной рекомбинации остаются неясными, элементы физического механизма уже выяснены. Например, белки репарации ошибочного спаривания (MMR) представляют собой хорошо известное регуляторное семейство белков, ответственных за регуляцию несовпадающих последовательностей ДНК во время репликации и регуляции ускользания. [34] Оперативной целью MMR является восстановление родительского генотипа. В частности, один класс MMR, MutSβ, как известно, инициирует коррекцию несоответствий вставки-делеции длиной до 16 нуклеотидов. [34] Мало что известно о процессе вырезания у эукариот, но вырезание E. coli включает расщепление разрыва либо на 5'-, либо на 3'-цепи, после чего ДНК-хеликаза и ДНК-полимераза III связываются и генерируют одноцепочечные белки. которые перевариваются экзонуклеазами и прикрепляются к цепи с помощью лигазы . [34] В поддержании стабильности сложного генома организма участвуют несколько путей MMR, и любой из многих возможных сбоев в пути MMR приводит к ошибкам редактирования и исправления ДНК. [35] Таким образом, хотя и неясно, какие именно механизмы приводят к ошибкам негомологичного кроссинговера, весьма вероятно, что задействован путь MMR.
