Генетичний обмін і рекомбінація - студопедія

Не менш важливий, ніж мутації, внесок в мінливість привносять способи генетичного обміну і наступні за ними рекомбінаційні події. Генетичний обмін характерний як для еукаріот, так і для прокаріотів і може здійснюватися в ході різних процесів. Для еукаріотичних організмів вивчені статевої і парасексуальний процеси: в ході першого відбувається злиття статевих клітин з утворенням диплоїдної зиготи, яка в більшості випадків піддається мейотичного поділу, що супроводжується рекомбінацією між хромосомами. У парасуксуальном циклі відбуваються об'єднання і подальша рекомбінація генів на основі подій, що здійснюються в мітозі без участі запліднення статевим шляхом.

Обмін генетичною інформацією у прокаріотів відбувається in vivo в ході кон'югації. трансдукції і трансформації, а в лабораторних умовах, крім того, при злитті протопластів.

Кон'югація - процес генетичного обміну, що вимагає фізичного контакту клітин. При цьому перенесення генів здійснюється з донорських бактерій (містять кон'югатівних плазміди) в реціпіентние клітини (безплазмідних) по спеціальному каналу - кон'югатівних містку. Цей процес опосередковується генами, розташованими на плазмидах. Плазміди є суперспіралізованние ковалентно-замкнуті кільцеві молекули ДНК невеликої величини (2-600 т. П. Н.), Здатні до автономної реплікації. Клітини, що містять плазміди, можуть набувати нових ознак. Ці ознаки використовуються для позначення виявлених вперше плазмід: F-плазміди (фактори фертильності, або статеві чинники), відповідальні за донорські властивості бактерій; Col-плазміди (фактори коліціногенності) -опосредуют здатність клітин синтезувати особливий клас бактеріоцинів - коліціни; R-плазміди (фактори резистентності) - обумовлюють стійкість бактерій до антибіотиків і ін. Плазміди характеризуються рядом загальних і специфічних властивостей. До загальних властивостей плазмід можна віднести здатність до автономної реплікації, до кон'югатівних переносу, до інтеграції в нуклеоїд (епісоми), несумісність (нездатність деяких плазмід стабільно успадковуватися однієї і тієї ж кліткою).

Специфічні (індивідуальні) властивості характеризують невеликі групи плазмід і надають клітинам різні фенотипічні властивості: стійкість до антибіотиків, катіонів, аніонів, мутагенну факторів, Бактеріоцини, бактеріофагів; здатність деградувати ксенобіотики; синтез aнтібіотіков, бактеріоцинів, пігментів, інсектицидів, поверхневих антигенів, токсинів, ферментів; використання в якості джерел вуглецю pазного цукрів і амінокислот; індукцію пухлин у рослин і ін.

Трансдукція - спосіб генетичного транспорту, при якому переносниками генів виступають помірні або хвороботворні бактеріофаги. Фрагменти бактеріальних хромосом зазвичай включаються до складу фагів частинок або в ході неправильного вирізання профагов з бактеріального генома (характерно для помірних вірусів), або в ході помилковою упаковки в головки бактеріальної ДНК при складанні вірулентних фагів. Утворені фагів частинки носять назву «дефектні», оскільки в більшості випадків не здатні забезпечити політично цикл. Однак вони зберігають здатність адсорбуватися на клітинах і ін'єктувати в них свою нуклеїнових кислот, яка може вступати в події рекомбінації з клітинним геномом.

Трансформація - спосіб генетичного обміну, відкритий Гриффітом, при якому в клітини проникає вільна ДНК. Трансформує здатність описана як для хромосомальних, так і для плазмідних ДНК. Процес, в якому виділена ДНК фагів надходить в бактеріальні клітини і обумовлює утворення в них зрілих фагових частинок, називається трансфекцией. У природних умовах трансформація здійснюється з невисокою ефективністю за рахунок вивільненої з спонтанно лизировать клітин ДНК. У лабораторних умовах частоту трансформації можна істотно підвищити, збільшивши концентрацію трансформує ДНК і перевівши клітини в компетентне стан (тільки в такому стані клітини здатні адсорбувати і поглинати ДНК). Ще легше трансформуються протопластів, і цей прийом - один з найпоширеніших при введенні гібридних (отриманих в експериментах з генної інженерії) молекул ДНК в клітини.

Злиття протопластів є штучним метод об'єднання геномів. Він заснований на здатності плазматичних мембран - прикордонних структур протопластів - до спонтанної агрегації з усуспільненням всього вмісту двох або більше протопластів. При цьому між геномами можуть відбуватися складні рекомбінаційні події, що супроводжуються виникненням різних варіантів організмів.

Процеси трансформації клітин і протопластів, а також злиття протопластів використовують і для селекції деяких еукаріотичних організмів: дріжджів, міцеліальних грибів, рослин.

Отже, перераховані вище процеси призводять до вступу в клітини нового генетичного матеріалу, який може піддаватися у бактерій рестрикції, якщо модифікований неадкватно наявної в клітці системі рестрикції-модифікації, але може і встигнути вступити у взаємодію з резидентними молекулами ДНК - рекомбінацію. Рекомбінація властива всім групам організмів, за винятком РНК-вірусів (у них вона не виявлена). Це ферментативний процес, і генетична інформація про синтез ферментів, які опосередковують рекомбінацію, є у всіх клітинах і у багатьох вірусів. Деякі ферменти, які відіграють ключову роль при рекомбінації, беруть участь також в процесах реплікації і репарації ДНК.

Розрізняють три типи рекомбінації: загальну (регулярну, гомологичную), сайт-специфічну і незаконну (негомологічну, випадкову). Основна відмінність між цими типами полягає в протяжності сайтів гомології. які обумовлюють взаємодію молекул ДНК, що приводить до перекомбінірованія генів.

Загальна рекомбінація. Це обмін ділянками між гомологічними (ідентичними) нуклеотидними послідовностями, або кросинговер. При даному типі рекомбінації відбувається розрив гомологічних ланцюгів ДНК з подальшим реципрокним з'єднанням їх в новому поєднанні (рис. 2.6). Обмін проводиться одноланцюжковий ділянками, причому мають однакову орієнтацію. У процесі бере участь велика кількість різноманітних ферментів. Зокрема загальна рекомбінація у E. coli каталізується recA-білком (забезпечує обмін одиночними ланцюгами), recBCD-нуклеаз (здійснює розрив і розплітання ланцюжків), геліказу і білками, які зв'язуються з одноцепочечной ДНК (необхідні для міграції хреста Холлідея), а також ДНК полимеразой РolI і ДНК-лігази.

Гомологічних рекомбінація починається з надрізання односпрямованих ланцюгів в гомологічних молекулах ДНК, після чого вільні кінці одного ланцюга спаровуються з вільними кінцями інший ланцюжка, і формується структура Холлідея (по імені дослідника вперше запропонував її). Точка перехрещення обмінюються ланцюгів переміщається уздовж рекомбінуючих молекул - міграція гілки (хреста). При цьому відбувається розмикання водневих зв'язків між комплементарними нуклеотидами всередині однієї батьківської молекули ДНК і замикання відповідних зв'язків між нуклеотидами ланцюгів, що належать різним молекулам ДНК. Структури Холлідея потім переходять в рекомбінантні подвійніспіралі (дозволяються) шляхом внесення розривів і возз'єднання ланцюгів двома альтернативними способами. У першому способі розрізають і возз'єднуються перехрещуються односпрямовані ланцюга, а в іншому - неперекрещівающіеся односпрямовані ланцюжка. При міграції хреста Холлідея здійснюється спаровування ланцюгів, що належать різним молекулам ДНК, т. Е. Утворюються гетеродуплекси. У їх складі можуть міститися некомплементарни нуклеотиди, які видаляються так само, як при репарації ДНК, а шаблоном в даному випадку може служити будь-яка з ланцюгів.

Існує альтернативний спосіб загальної рекомбінації, в ході якого відбувається дволанцюжкові розрив в одній молекулі ДНК. У цьому випадку на одному з етапів теж формується структура Холлідея, і відбувається міграція гілки.

Сайт-специфічна рекомбінація. Цей спосіб рекомбінації не залежить від продуктів генів recA, B і D і відбувається між специфічними сегментами молекул ДНК, що не мають протяжних областей гомології. Найкраще цей тип рекомбінації вивчений на прикладі інтеграції фага l в нуклеоїд кишкової палички і його зворотного виключення. Рекомбінаційні події при цьому відбуваються в коротких ділянках ДНК бактеріофага і клітини - att-сайтах (від англ. Attachment -прікрепленіе). У складі фаговой ДНК присутня attРОР '-сайт, а в складі бактеріальної ДНК - attВОB'-сайт, розташований між оперон gal (відповідає за утилізацію галактози) і bio (відповідає за біосинтез біотину). Нуклеотидні послідовності att-сайтів на фаговой і клітинної ДНК розрізняються, за винятком ділянки «О» протяжністю 15 пар нуклеотидів, однакових для обох сайтів. Ця послідовність, загальна для рекомбінуючих геномів, служить для утворення «липких» решт за рахунок двох надрізів уступом (рис. 2.7). Освіта цих надрізів каталізує білок Int - продукт фагового гена int.

ДНК фага l проникає в клітину в лінійній формі і відразу замикається в кільце завдяки існуванню «липких» кінців. Потім на фагів і бактеріальну ДНК впливають нуклеази (білок Int), і утворюються «липкі» кінці в складі різних att-сайтів можуть взаємодіяти, приводячи до інтеграції профага в хромосому (рис. 2.8).

В результаті сайт-специфічної рекомбінації, що супроводжує процес інтеграції ДНК фага l в нуклеоїд кишкової палички, відбувається утворення нових (рекомбінантних) сайтів: ВОР 'і РОР' (рис. 2.8).

Виняток профага l з хромосоми E. coli може відбуватися також в результаті сайт-специфічної рекомбінації, і в цьому процесі, крім білка Int, грають роль фагів білок Xis і клітинний білок HF. Слід зазначити, що інтеграція профага l може здійснюватися і в інші сайти нуклеоида E. coli, проте це відбувається з частотою приблизно в 200 разів меншою, ніж інтеграція між локусами gal та bio, і в таких випадках реалізуються закономірності незаконної рекомбінації.

Незаконна рекомбінація. Прикладами незаконної (негомологичной) рекомбінації служать події транспозиції переміщаються (мобільних) елементів, для яких в геномах відсутні кращі сайти інтеграції. Вважають, що для цих подій не потрібні ділянки гомології ДНК. До незаконної рекомбінації відносять також процеси випадкового вбудовування вірусної або плазмідної ДНК в клітинні геноми. Ці події найбільш часті для клітин тварин.