Л06-генетична рекомбінація 1

• Генетична рекомбінація - реорганізація генетичного матеріалу за допомогою розривів, обміну ділянками і возз'єднання молекул ДНК

• Генетична рекомбінація є одним з основних джерел спадкової мінливості у всіх живих організмів. Це визначає її важливу роль як в еволюції, так і в онтогенетической мінливості.

• Генетична рекомбінація бере участь у репарації двунітевих розривів ДНК.

• Для рекомбінації необхідний фізичний контакт між рекомбинируют ділянками ДНК - сінапсіс.

Типи генетичної рекомбінації:

Виходячи з молекулярних механізмів, генетичного контролю і природи синапсиса, всі відомі рекомбінаційні процеси можна поділити на такі типи:

«Законна" (загальна, або гомологичная)

- обмін гомологічними (подібними або ідентичними) ділянками молекул ДНК;

«Незаконна" (негомологічних) 2

- обмін негомологічних ділянками ДНК

Типи генетичної рекомбінації

• Сайт-специфічна рекомбінація (site-specific recombination)

• Консервативна сайт-специфічна рекомбінація

- зазвичай відбувається між певними нуклеотидними послідовностями ДНК в межах дуже коротких ділянок гомології (15-30 п.о.)

• широко поширена у прокаріотів і нижчих еукаріот

• інтеграція ДНК помірних фагів в хромосоми бактерій

• інверсія окремих ділянок ДНК в хромосомах бактерій і бактеріофагів і інші процеси, які відіграють важливу роль в циклах розвитку фагів і бактерій.

• перебудови в нуклеотидних послідовностях ДНК, що кодують імуноглобуліни

- переміщення рухомих генетичних елементів

- У еукаріот найбільш типовий обмін ділянками гомологічних хромосом у мейозі. Цей обмін може відбуватися між щільно кон'югованими хромосомами на ранніх стадіях розвитку яйця або сперматозоїда.

- Рідше гомологічних рекомбінація здійснюється при мітозі. В основному спрямована на репарацію розривів в ДНК

- Може супроводжуватися небажаними наслідками (наприклад, виникненням мозаїцизму - наявністю в тканинах генетично розрізняються клітин).

- Може бути викликана рентгенівським опроміненням клітин на стадії G2 клітинного циклу. Индуцированная митотическая рекомбінація - зручний метод вивчення дії генів у процесі розвитку.

Основні функції гомологичной рекомбінації

- Відновлення зруйнованої вилки реплікації

- Точне усунення дволанцюжкових розривів і ін. Ушкоджень ДНК

• Обмін генетичною інформацією між двома гомологічними хромосомами

- Створюються нові поєднання послідовностей ДНК в кожній з хромосом, що може мати потенційну еволюційну вигоду

• Механічна функція - освіту і збереження фізичної зв'язку між гомологами аж до їх розбіжності в першому поділі мейозу

- Якщо між парою гомологів не відбулося жодного обміну, то вони можуть неправильно розійтися до полюсів ділення. Тоді у одних гамет буде надлишкова доза генів, а у інших цих генів не буде зовсім. І те, і інше найчастіше веде до загибелі організмів

Відновлення зруйнованої вилки реплікації за допомогою гомологичной рекомбінації

• Подібні «аварії» відбуваються майже при кожному циклі реплікації ДНК

• Коли рухається репликационная вилка наштовхується на одноланцюговий розрив, вона руйнується і дає одну розірвану і одну интактную дочірні хромосоми

• Для початку інвазії ланцюга потрібно вільний 3'-кінець, який утворюється під дією екзонуклеаза, відщеплюється нуклеотиди з 5'-кінця комплементарної ланцюга

• Після інвазії ланцюга відбувається рекомбінація і відновлення реплікації

• вилки реплікації мине розрив на одній з ланцюгів, використовуючи як матрицю неушкоджену копію цього 6

Усунення двухцепочечную розриву за допомогою гомологичной рекомбінації

• У більшості клітин опосередковане гомологичной рекомбинацией усунення двунітевих розривів відбувається тільки після завершення реплікації, і тому один з дочірніх дуплексів може служити матрицею для відновлення другого

• гомологічних рекомбінація - найбільш універсальний механізм репарації. Вона може бути використана клітиною для усунення інших типів ушкоджень ДНК. Ймовірно, це пояснює консерватизм

механізмів і білків, що беруть участь 7

Лімітування використання гомологичной рекомбінації для репарації ДНК

• У ряді випадків гомологічних рекомбінація може становити небезпеку для клітини. тому в разі неправильного возз'єднання

хромосом, гени можуть бути пошкоджені, що є причиною захворювань, відомих як «геномні порушення»

- Послідовність ДНК в одному гомологів може стати функціонально неактивною при її ремонті з використанням іншого гомолога. Така втрата гетерозиготності часто є вирішальним моментом при розвитку злоякісних пухлин.

- Потенційно можлива заснована на рекомбінації «репарація» неушкодженою ДНК

• Як занадто великий, так і занадто малий рівень гомологичной рекомбінації у людей можуть призводити до раку. Перший через втрату гетерозиготності, а другий через збільшення частоти мутацій, викликаних неефективністю репарації.

• Клітини мають спеціальні механізми контролю за рекомбинацией.

- Зшиваються тільки дуже схожі (високо гомологічні) послідовності алелей.

- Ферменти, що каталізують рекомбінаційну репарацію, у еукаріот виробляються на високому рівні і розосереджені по всьому ядру. При пошкодженні ДНК вони швидко прямують до ділянок ушкоджень і утворюють «ремонтні фабрики».

- У цьому процесі бере участь ряд допоміжних білків. Зокрема білкові продукти генів Brca1 і Brca2 (мутації цих генів призводять до підвищення ймовірності раку молочної залози 8).

Мейотіческіх або статева рекомбінація: кроссинговер в профазі першого поділу мейозу

• Кроссинговер - процес обміну ділянками гомологічних хромосом

• Ядро мейотической клітини в профазі I містить по чотири гомологічних хроматиди, але в кожному окремому акті кросинговеру беруть участь тільки дві з них.

• Обов'язковою умовою для здійснення кросинговеру є кон'югація хромосом і утворення сінаптонемального комплексу.

• Кон'югація - з'єднання гомологічниххромосом

• Однак кон'югація не обов'язково тягне за собою кроссинговер

При кон'югації гомологічних хромосом в мейозі між ними відбувається кросинговер

• У біваленте з 4 хроматид в кроссинговере беруть участь дві, тобто процес йде на хроматидного рівні, а не на хромосомному

• Об'єднані сінаптонемальним комплексом в бивалент гомологічні хромосоми, а точніше сестринські хроматиди можуть перехрещуватися і обмінюватися ділянками, що призводить до утворення хіазм.

Молекула ДНК складається з 2 паралельних ланцюгів нуклеотидів; до складу 1 хроматиди входить 1 молекула ДНК; кожна хромосома (аж до анафази II) складається з 2 хроматид. Відповідно, кожна пара гомологічних хромосом складається з 2 хромосом, 4 хроматид, 4 молекул ДНК, 8 нуклеотидних ланцюжків. Рекомбінація відбувається між хроматидами боку батька або матері хромосом.

Освіта хіазми в результаті кросинговеру

• Для здійснення кросинговеру необхідно виникнення розривів в ДНК. Згідно з концепцією Холлідея рекомбінація здійснюється при узгодженому внесення розривів і возз'єднання ланцюгів двох

спіралей ДНК з утворенням протяжних гетеродуплексних областей

• В результаті виникають якісно нові хромосоми, містять

ділянки (гени) як материнських, так і батьківських хромосом. Особи, які виходять з таких гамет з новим поєднанням алелів, 10 отримали назву кроссоверних або рекомбінантних.