Хромосомный кроссинговер , или кроссинговер , — это обмен генетическим материалом во время полового размножения между не-сестринскими 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 развития синаптонемного комплекса и завершается только ближе к концу профазы I. Кроссинговер обычно происходит , когда соответствующие области на соответствующих хромосомах разрываются, а затем снова соединяются с другой хромосомой.
Кроссинговер был описан в теории Томасом Хантом Морганом ; термин кроссинговер был придуман Морганом и Элет Кеттелл. [3] Хант опирался на открытие Франса Альфонса Янсенса , который описал это явление в 1909 году и назвал его «хиазмотипией». [4] Термин хиазма связан, если не идентичен, с хромосомным кроссинговером. Морган сразу увидел большое значение цитологической интерпретации хиазм Янсенсом для экспериментальных результатов его исследований наследственности дрозофилы . Физическая основа кроссинговер была впервые продемонстрирована Харриет Крейтон и Барбарой МакКлинток в 1931 году. [5]
Связанная частота кроссинговера между двумя генными локусами ( маркерами ) является значением кроссинговера . Для фиксированного набора генетических и экологических условий рекомбинация в определенном регионе структуры сцепления ( хромосомы ) имеет тенденцию быть постоянной, и то же самое справедливо для значения кроссинговера, которое используется при создании генетических карт . [6] [7]
Когда в 1977 году Хотта и др. сравнили мейотический кроссинговер ( рекомбинацию ) у лилии и мыши, они пришли к выводу, что различные эукариоты имеют общую схему. [8] Это открытие предполагает, что хромосомный кроссинговер является общей характеристикой мейоза эукариот.
Существуют две популярные и пересекающиеся теории, объясняющие происхождение кроссинговера, исходящие из различных теорий происхождения мейоза . Первая теория основывается на идее, что мейоз развился как еще один метод восстановления ДНК , и, таким образом, кроссинговер является новым способом замены возможно поврежденных участков ДНК. [9] Вторая теория исходит из идеи, что мейоз развился из бактериальной трансформации с функцией распространения разнообразия. [9]
В 1931 году Барбара МакКлинток открыла триплоидное растение кукурузы. Она сделала ключевые открытия относительно кариотипа кукурузы, включая размер и форму хромосом. МакКлинток использовала стадии профазы и метафазы митоза для описания морфологии хромосом кукурузы, а позже продемонстрировала первую в истории цитологическую демонстрацию кроссинговера в мейозе. Работая со студенткой Харриет Крейтон, МакКлинток также внесла значительный вклад в раннее понимание взаимозависимости сцепленных генов.
Кроссинговер и репарация ДНК — очень похожие процессы, в которых задействованы многие из тех же белковых комплексов. [10] [11] В своем докладе «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, которые получили от каждого родителя хромосому с разорванным концом. Она использовала измененные паттерны экспрессии генов на разных участках листьев своих растений кукурузы, чтобы показать, что транспонируемые элементы («контролирующие элементы») скрываются в геноме, и 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 праймазы закладывают основу нуклеотидов вдоль последовательности ДНК. Одним из таких особых белковых комплексов, сохраняющихся между процессами, является RAD51 , хорошо сохраняющийся рекомбиназный белок, который, как было показано, имеет решающее значение для восстановления ДНК, а также для кроссинговера. [12] Несколько других генов у D. melanogaster также были связаны с обоими процессами, показав, что мутанты в этих конкретных локусах не могут подвергаться восстановлению ДНК или кроссинговеру. К таким генам относятся mei-41, mei-9, hdm, spnA и brca2. [ необходима цитата ] Эта большая группа сохраняющихся между процессами генов подтверждает теорию тесной эволюционной связи. Кроме того, было обнаружено, что восстановление ДНК и кроссинговер благоприятствуют схожим областям на хромосомах. В эксперименте с использованием радиационного гибридного картирования на хромосоме пшеницы ( Triticum aestivum L. ) 3B было обнаружено, что кроссинговер и репарация ДНК происходят преимущественно в одних и тех же областях. [13] Кроме того, было установлено, что кроссинговер происходит 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, что позволяет отжигать новую цепь. Бактериальная трансформация сама по себе была связана с репарацией ДНК много раз. [ требуется ссылка ] Вторая теория исходит из идеи, что мейоз произошел от бактериальной трансформации с функцией распространения генетического разнообразия. [9] [16] Таким образом, эти данные предполагают, что вопрос заключается в том, связан ли кроссинговер с репарацией ДНК или бактериальной трансформацией, поскольку эти два процесса, по-видимому, не являются взаимоисключающими. Вполне вероятно, что кроссинговер мог развиться из бактериальной трансформации, которая, в свою очередь, развилась из репарации ДНК, тем самым объясняя связи между всеми тремя процессами.
Мейотическая рекомбинация может быть инициирована двухцепочечными разрывами, которые вводятся в ДНК под воздействием агентов, повреждающих ДНК, [9] или белка Spo11 . [17] Затем одна или несколько экзонуклеаз переваривают 5'-концы, образованные двухцепочечными разрывами, для получения 3'-одноцепочечных хвостов ДНК (см. диаграмму). Специфическая для мейоза рекомбиназа Dmc1 и общая рекомбиназа Rad51 покрывают одноцепочечную ДНК, образуя нуклеопротеиновые нити. [18] Рекомбиназы катализируют вторжение одноцепочечной ДНК в противоположную хроматиду с одного конца разрыва. Затем 3'-конец вторгающейся ДНК запускает синтез ДНК, вызывая смещение комплементарной цепи, которая впоследствии отжигается с одноцепочечной ДНК, образованной с другого конца первоначального двухцепочечного разрыва. Структура, которая получается в результате, представляет собой кросс-цепочечный обмен , также известный 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 людей. [19] [20] [21] У дрожжей Saccharomyces cerevisiae MSH4 и MSH5 действуют специфически, облегчая кроссинговер 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 , предполагающим, что сегрегация необменных хромосом происходила эффективно. Таким образом, у S. cerevisiae надлежащая сегрегация, по-видимому, не полностью зависит от кроссинговеров между гомологичными парами.
Кузнечик Melanoplus femur-rubrum подвергался воздействию острой дозы рентгеновских лучей во время каждой отдельной стадии мейоза , и была измерена частота хиазм . [23] Было обнаружено, что облучение во время стадий мейоза лептотена - зиготена (то есть до периода пахитены , в котором происходит кроссоверная рекомбинация) увеличивает последующую частоту хиазм. Аналогичным образом, у кузнечика Chorthippus brunneus воздействие рентгеновского облучения во время стадий зиготена - ранняя пахитена вызвало значительное увеличение средней частоты хиазм клеток. [24] Частота хиазм была оценена на более поздних стадиях мейоза диплотена - диакинез . Эти результаты свидетельствуют о том, что рентгеновские лучи вызывают повреждения ДНК, которые восстанавливаются путем кроссовера, приводящего к образованию хиазм.
Двухцепочечные разрывы (DSB) восстанавливаются двумя путями для создания кроссоверов у эукариот. [25] Большинство из них восстанавливаются гомологами MutL MLH1 и MLH3, которые определяют кроссоверы 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 с нокаутом MUS81 кроссоверы класса I повышены, в то время как общее количество кроссоверов в хиазмах является нормальным. Однако механизмы, лежащие в основе этого перекрестного взаимодействия, не очень хорошо изучены. Недавнее исследование предполагает, что белок каркаса, называемый SLX4, может участвовать в этой регуляции. [26] В частности, мыши с нокаутом SLX4 в значительной степени фенокопируют нокаут MUS81 — снова повышенное количество кроссоверов класса I при нормальном количестве хиазм. У мышей с нокаутом FANCM путь класса II гиперактивирован, что приводит к увеличению числа кроссинговеров, которые не зависят от пути MLH1/MLH3. [27]
У большинства эукариот клетка несет две версии каждого гена , каждая из которых называется аллелем . Каждый родитель передает по одному аллелю каждому потомству. Отдельная гамета наследует полный гаплоидный набор аллелей на хромосомах, которые независимо выбираются из каждой пары хроматид , выстроенных на метафазной пластинке. Без рекомбинации все аллели для тех генов, которые связаны вместе на одной хромосоме, были бы унаследованы вместе. Мейотическая рекомбинация обеспечивает более независимую сегрегацию между двумя аллелями, которые занимают позиции отдельных генов, поскольку рекомбинация перетасовывает содержимое аллелей между гомологичными хромосомами.
Рекомбинация приводит к новому расположению материнских и отцовских аллелей на одной и той же 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 потомка, и тот факт, что два аллеля появляются вместе у одного потомка, не оказывает никакого влияния на статистическую вероятность того, что у другого потомка будет такая же комбинация. Этот принцип « независимого набора » генов является основополагающим для генетического наследования. [28] Однако частота рекомбинации на самом деле не одинакова для всех комбинаций генов. Это приводит к понятию « генетического расстояния », которое является мерой частоты рекомбинации, усредненной по (достаточно большой) выборке родословных. Грубо говоря, можно сказать, что это происходит потому, что на рекомбинацию сильно влияет 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. Генетическое сцепление описывает тенденцию генов наследоваться вместе в результате их расположения на одной хромосоме. Неравновесие сцепления описывает ситуацию, в которой некоторые комбинации генов или генетических маркеров встречаются в популяции чаще или реже, чем можно было бы ожидать, исходя из их расстояний друг от друга. Эта концепция применяется при поиске гена, который может вызывать определенное заболевание . Это делается путем сравнения появления определенной последовательности ДНК с появлением заболевания. Когда обнаруживается высокая корреляция между ними, вполне вероятно, что соответствующая последовательность гена действительно ближе [28]
Кроссоверы обычно происходят между гомологичными областями соответствующих хромосом , но сходство в последовательности и другие факторы могут привести к несовпадающим выравниваниям. 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 шаблона для создания новых нитей с использованием частично консервативного механизма; правильное функционирование этого процесса приводит к двум идентичным, парным хромосомам, часто называемым сестрами. Известно, что события кроссинговера сестринских хроматид происходят со скоростью нескольких событий кроссинговера на клетку за одно деление у эукариот. [29] Большинство этих событий включают обмен равными количествами генетической информации, но неравные обмены могут происходить из-за несоответствия последовательностей. Они называются по-разному, включая негомологичный кроссинговер, неравный кроссинговер и несбалансированную рекомбинацию, и приводят к вставке или удалению генетической информации в хромосому. Хотя эти мутации редки по сравнению с гомологичными кроссинговерными событиями, они радикальны и затрагивают множество локусов одновременно. Они считаются основным фактором, вызывающим дупликацию генов , и являются общим источником мутаций в геноме . [30]
Конкретные причины событий негомологичного кроссинговера неизвестны, но известно, что несколько влиятельных факторов увеличивают вероятность неравного кроссинговера. Одним из распространенных векторов, приводящих к несбалансированной рекомбинации, является репарация двухцепочечных разрывов (DSB). [31] DSB часто восстанавливаются с помощью гомологически направленной репарации, процесса, который включает вторжение цепи DSB в цепь матрицы (см. рисунок ниже). Для репарации часто используются соседние гомологичные области цепи матрицы, что может привести либо к вставкам, либо к делециям в геноме, если используется негомологичная, но комплементарная часть цепи матрицы. [31] Сходство последовательностей играет важную роль в кроссинговере — события кроссинговера с большей вероятностью происходят в длинных областях близкой идентичности на гене. [32] Это означает, что любой участок генома с длинными участками повторяющейся ДНК склонен к событиям кроссинговера.
Наличие транспозируемых элементов является еще одним влиятельным элементом негомологичного кроссинговера. Повторяющиеся области кода характеризуют транспозируемые элементы; комплементарные, но негомологичные области повсеместно встречаются в транспозонах. Поскольку хромосомные области, состоящие из транспозонов, имеют большое количество идентичного, повторяющегося кода в сжатом пространстве, считается, что области транспозона, подвергающиеся событию кроссинговера, более склонны к ошибочному комплементарному совпадению; [33] то есть, участок хромосомы, содержащий много идентичных последовательностей, если он подвергается событию кроссинговера, с меньшей вероятностью совпадет с идеально гомологичным участком комплементарного кода и более склонен к связыванию с участком кода на немного другой части 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 были выяснены. Например, белки репарации несоответствий (MMR) являются хорошо известным регуляторным семейством белков, ответственным за регулирование несоответствующих последовательностей ДНК во время репликации и регуляции ускользания. [34] Оперативная цель MMR — восстановление родительского генотипа. Известно, что один класс MMR, в частности, MutSβ, инициирует исправление несоответствий вставки-делеции до 16 нуклеотидов. [34] Мало что известно о процессе вырезания у эукариот, но вырезание E. coli включает расщепление надреза 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 лигазой . [34] Множественные пути MMR вовлечены в поддержание стабильности сложного генома организма, и любая из многочисленных возможных неисправностей в пути MMR приводит к ошибкам редактирования и исправления ДНК. [35] Таким образом, хотя точно не известно, какие механизмы приводят к ошибкам негомологичного кроссинговера, весьма вероятно, что в этом замешан путь MMR.
