Механизмы рекомбинации генов (независимого наследования). Значение этих процессов

Понятие и общее описание механизма рекомбинации генов, классификация и типы форм его реализации: общей и сайт-специфической. Особенности взаимодействий, обусловленных спариванием оснований между комплементарными цепями гомологичных спиралей ДНК.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

Курсовая работа

Механизмы рекомбинации генов (независимого наследования). Значение этих процессов

Введение

Существуют механизмы, благодаря которым нуклеотидные последовательности ДНК передаются в ряду клеточных поколений почти неизменными. Действительно, генетическая стабильность крайне важна для выживания, когда речь идет о сравнительно коротких сроках, но для длительного существования вида необходима генетическая изменчивость, которая позволяла бы приспосабливаться к изменяющейся среде. Следовательно, важным свойством ДНК следует считать ее способность к перестройкам, которые могут изменять и комбинацию генов в данном геноме, и их экспрессию (время и степень экспрессии). Перестройки в ДНК представляют собой результат генетической рекомбинации.

1. Виды рекомбинации генов

События, из которых слагается генетическая рекомбинация, могут быть подразделены на два больших класса: общая рекомбинация и сайт-специфическая рекомбинация.

В процессе общей рекомбинации генетический обмен происходит между гомологичными нуклеотидными последовательностями ДНК, по большей части между двумя копиями одной и той же хромосомы. Одним из самых известных примеров такого рода служит обмен участками гомологичных хромосом (гомологов) в процессе мейоза. Этот обмен (кроссинговер), происходящий между плотно конъюгированными хромосомами на ранних стадиях развития яйца или сперматозоида создает возможность для опробования разных вариантов (аллелей) одного и того же гена в новых комбинациях с другими генами и тем самым повышает шансы на выживание в изменяющейся среде (по крайней мере для некоторых членов скрещивающейся популяции).

Мейоз свойствен только эукариотам, но преимущества подобного комбинирования генов настолько велики, что и у прокариотических организмов развились в ходе эволюции такие процессы, как скрещивание и перегруппировка генов путем общей генетической рекомбинации.

Сайт-специфическая рекомбинация отличается от общей рекомбинации тем, что для ее осуществления не требуется гомологии ДНК. В обмен вступают короткие специфические нуклеотидные последовательности одной и той же или обеих спиралей ДНК, участвующих в этом процессе, распознаваемые особым сайт-специфическим рекомбинационным ферментом. Таким образом, сайт-специфическая рекомбинация изменяет распределение нуклеотидных последовательностей в геноме. Иногда эти изменения приурочены к каким-то этапам и определенным образом организованы, как, например, при исключении интегрированного бактериофага из бактериальной хромосомы. Однако они могут носить и совершенно случайный характер, например, при включении в геном подвижных (мобильных) элементов.

Что касается биохимии генетической рекомбинации, то, как и в случае репликации ДНК, большую часть удалось выяснить в исследованиях на простых организмах, в частности на Е. coli и ее вирусах.

2. Процессы общей рекомбинации генов

Общая рекомбинация включает ряд промежуточных этапов, для понимания которых необходимо затратить определенные усилия.

Кроме того, механизм обмена между цепями ДНК, по-видимому, несколько различается у разных организмов. Однако детальный генетический

анализ скрещивания у бактерий, вирусов и грибов дает основания считать, что в целом результаты общей рекомбинации всегда одинаковы:

1. Две гомологичные двойные спирали ДНК разрываются и разорванные концы одного гомолога соединяются с соответствующими концами другого, так что вновь получаются две целые спирали ДНК, но теперь уже каждая из них состоит из частей двух исходных молекул ДНК.

2. Точка обмена может прийтись на любой участок гомологичных нуклеотидных последовательностей хромосом.

3. В точке обмена каждая полинуклеотидная цепь одной из спиралей соединяется путем спаривания оснований с цепью другой спирали, и между двумя разными спиралями ДНК возникает ступенчатое (гетеродуплексное) соединение. Такие соединения могут состоять из нескольких тысяч пар оснований.

4. В точке обмена не происходит изменения нуклеотидных последовательностей. Точность разрыва и воссоединения настолько велика, что ни один нуклеотид не утрачивается, не добавляется и не превращается в какой-нибудь другой.

Механизм общей рекомбинации таков, что в обмен могут вступать только два участка спирали ДНК, нуклеотидные последовательности которых обладают высокой степенью гомологии. Обеспечивается это наличием гетеродуплексного соединения в точке обмена, поскольку такое соединение может образоваться лишь в том случае, если комплементарные взаимодействия между цепями, принадлежавшими двум исходным спиралям, происходят на достаточно длинном участке. Но как именно возникает это ступенчатое соединение и как две гомологичные спирали ДНК, которые должны спариться, распознают гомологию своих нуклеотидных последовательностей?

Гомологичные участки сначала узнают друг друга непосредственно путем комплементарного спаривания. В дальнейшем образование пар оснований между комплементарными цепями, принадлежащими двум спиралям ДНК, направляет общую рекомбинацию таким образом, что она происходит лишь в пределах достаточно протяженной области гомологии двух нуклеотидных последовательностей ДНК. Однако и при соблюдении этого условия общая рекомбинация нередко ведет к перераспределению нуклеотидных последовательностей ДНК; гетеродуплексное соединение может заключать в себе небольшое число неправильных пар оснований и, что еще более важно, две спирали ДНК, претерпевающие кроссинговер, бывают обычно не вполне одинаковыми по обе стороны от этого соединения.

Общая рекомбинация инициируется в точке разрыва одной из двух цепей двойной спирали ДНК

Каждая из двух цепей молекулы ДНК закручена вокруг другой цепи. Вследствие этого любые комплементарные взаимодействия между двумя гомологичными двойными спиралями ДНК возможны лишь в том случае, если сначала в какой-либо одной из двух цепей возникнет разрыв, который освободит эту цепь для необходимого раскручивания и повторного закручивания. По той же причине для любого взаимного обмена цепями между двумя двойными спиралями ДНК нужно не меньше двух разрывов, т.е. по одному одноцепочечному разрыву в каждой из двух двойных спиралей. Для образования ступенчатого (гетеродуплексного) соединения, должны разорваться все четыре цепи, потому что лишь в этом случае каждая из них может воссоединиться с другим партнером. При общей рекомбинации все эти разрывы и воссоединения осуществляются и координируются таким образом, что они могут происходить лишь тогда, когда в двух спиралях ДНК имеются достаточно протяженные участки с гомологичными нуклеотидными последовательностями.

В экспериментах со многими различными организмами выяснилось, что для инициации событий, из которых слагается общая рекомбинация, достаточно одного разрыва только в одной из двух цепей ДНК.

Оказалось, что факторы, вызывающие появление таких одноцепочечных разрывов, например химические агенты или некоторые виды излучения, могут инициировать генетическую рекомбинацию. Более того, удалось показать, что один из специфических белков, необходимых для рекомбинации у Е. соli, а именно белок recBCD, вызывает в молекулах ДНК одноцепочечные разрывы. Белок recBCD представляет собой ДНК-зависимую АТРазу, которая действует как ДНК-геликаза - перемещается по спирали ДНК и расплетает ее, делая ее цепи доступными. Под влиянием белка recBCD, сочетающего нуклеазную и геликазную активность, на двойной спирали ДНК возникает одноцепочечный участок - «ус» (whisker).

Гибридизация ДНК может служить моделью этапа общей рекомбинации, связанного с комплементарным спариванием.

В простейшей форме комплементарные взаимодействия, играющие в общей рекомбинации центральную роль, можно воспроизвести в экспериментах in vitro по ренатурации ДНК, разделенной на отдельные цепи. Такая ренатурация (или гибридизация) происходит, когда в растворе вследствие случайного соударения одиночных цепей ДНК комплементарные нуклеотидные последовательности оказываются одна напротив другой и образуют короткий отрезок двойной спирали. За этим сравнительно медленным этапом нуклеации спирали следует очень быстрый этап «застегивания молнии»: двойная спираль при этом растет до тех пор, пока не образуется максимально возможное число водородных связей (рис. 5).

Для образования таким путем новой двойной спирали разделившиеся цепи во время отжига должны быть выпрямлены, чтобы их основания были открытыми. По этой причине эксперименты с гибридизацией ДНК in vitro проводят при высокой температуре или в присутствии таких органических растворителей, как формамид; в этих условиях «плавятся» и короткие спирали («шпильки»), возникающие в одиночной цепи ДНК вследствие комплементарных взаимодействий при ее складывании саму на себя. Бактериальные клетки не переносят, разумеется, столь жестких воздействий. В них распрямление спиралей достигается под воздействием специального дестабилизирующего белка, или SSB-белка. У Е.coli SSB-белок необходим и для репликации ДНК, и для общей рекомбинации; кооперативно связываясь с сахарофосфатным остовом всех одноцепочечных участков ДНК, он поддерживает их в растянутой конф...