16 Хромосомные перестройки. Возникновения и последствия. (Лекции по генетике), страница 2

Так или иначе, понятно, что речь идет обошибках при репарации двунитевых разрывов. А таких механизмов известно как минимумдва.Один из них – это легирование по принципу конец-к-концу, называемоенегомологической репарацией двунитевых разрывов. Имеются данные, что такоймеханизм включает в себя деградацию оборванного конца ДНК до тех пор, пока невстретится участок, хотя бы отдаленно гомологичный блоку теломерного повтора, послечего теломераза начинает наращивать этот повтор, и легирование происходит также поэтому повтору. По-видимому, именно поэтому внутри хромосом часто встречаются блокителомерного повтора. Есть искушение представить, что теломераза может таким обраомдостроить и полноценную функциональную теломеру (длиной до десятка тысяч пароснований), однако, судя по всему, это очень маловероятно, тем более, что дляправильного функционирования конца хромосомы необходима еще и прителомернаяДНК, занимающая сотни тысяч пар оснований.

Возникновение хромосомных перестроекза счет легирования конец-к-концу, но крест-накрест двух двуцепочечных разрывовтребует, чтобы они возникли одновременно и встретились в ядре.Второй механизм связан с репарацией по неразорванной двуцепочечной ДНК,идентичной или имеющей гомологию с разорванной. Только что пройденная темамейотического кроссинговера показала нам, что даже этот рутинный процесс основан намножественных двунитевых разрывах ДНК с последующей их репарацией.Предполагается, что при репарации двунитевого разрыва ДНК по гомологичнойнеразорванной цепи частично используется молекулярная машинерия мейотическогокроссинговера.

Этот механизм подсказывает нам, что хромосомные перестройки могутпроисходить за счет одного двуцепочечного разрыва ДНК, который индуцирует другойдвуцепочечный разрыв – а именно за счет репарации первого разрыва по участкунегомологичной хромосомы, имеющему тем не менее определенную гомологию срайоном разрыва. Таким образом, мы будем иметь искомые два сопряженныхдвуцепочечного разрыва, которые могут разрешиться «правильно» - по конверсионномупути, и «неправильно» - по рекомбинационному пути. Это может происходить и прирепарации двунитевого разрыва в митотическом цикле – например после того жерадиационного воздействия, и в ходе рутинного мейотического кроссинговера. С этойточки зрения становится понятным существование в некоторых случаях «горячих точек»для хромосомных перестроек – районов хромосом, в которых они происходят особенночасто.

По всей видимости, в таких точках расположены участки, гомологичные таковымна негомологичных хромосомах, скорее всего блоки повторов.Сложно оценить, насколько такое событие распространено в митотическом цикле, нооно совершенно точно может происходить в мейозе – а именно в случае «незаконного»спаривания и рекомбинации негомологичных хромосом и их участков, имеющих сходствопервичной структуры. Такими участками могут быть копии мобильных элементов, окоторых мы будем говорить позже. Рассматриваемые ниже хромосомные перестройкивполне могут происходить за счет мейотической рекомбинации между копиямимобильных элементов, рассеянных по геному.Механизм с репарацией по целой ДНК со сходной первичной структурой не требуетодновременного возникновения двух двойных разрывов. Но репарация двойного разрывапо матрице неразорванной ДНК, имеющей сходную первичную структуру с разорванной,тем не менее расположенной не в той же самой позиции сестринской хроматиды илигомолога, требует, чтобы последний был найден в ядре инвазивным концом.

В то жевремя и «неправильное» легирование концов двух двуцепочечных разрывов требует,чтобы эти концы оказались рядом. Таким образом, оба механизма возникновенияхромосомных перестроек требуют встречи негомологичных участков ДНК, часто изразных хромосом. В свете тех данных, что в ядре как минимум млекопитающих идвукрылых существуют хромосомные территории, занимаемые определеннымихромосомами и их участками, в частности в зависимости от типа хроматина, делает этособытие не очень вероятным.

Более того, заметим, что активно экспрессирующийсяхроматин, богатый уникальными последовательностями как правило находится напериферии хромосомных территорий или в «экстратерриториальном пространстве» ядра,тогда как неэкспрессирующийся хроматин, в частности, гетерохроматин, богатыйгомологичными участками в негомологичных позициях, располагаются «в глубине»хромосомных территорий. В то же время и хромосомные перестройки возникают не такуж часто – притом, что, раз возникнув, они могут достаточно часто встречаться внутриодного вида.Из лекции «классификация мутаций» нам известны следующие типы хромосомныхперестроек - инверсии, транслокации, транспозиции, делеции и дупликации. Еслиприглядеться, то можно увидеть, что все из них, кроме транспозиций, требуют для своегообразования не более (но и не менее) двух разрывов и их перекрестного сшивания.16.3.2.

Обмен хромосомы с самой собойРассмотрим случай, когда два разрыва затрагивают одну и ту же хромосому. Такоймеханизм является общим для возникновения как делеций, так и инверсий. Топопогическиздесь возможны два варианта. Если два участка одной и той же двойной цепи ДНК этойхромосомы в момент обмена расположены параллельно в отношении концов хромосомы,то участок ДНК между обоими разрывами замкнется в кольцо, а участки ДНК кнаружи отразрывов сошьются голова к хвосту. Это будет означать делецию, как мы увидем ниже одного из двух типов. Если же участки одной цепи ДНК будут расположеныантипараллельно, но есть навстречу друг другу в отношении концов хромосомы, тоучасток между точками обмена развернется на 180º и мы получим инверсию.

Все этоизображено на рисунке 16.1. Замечу, что здесь стрелка не имеет отношение к 3’ и 5’концам ДНК поскольку мы рассматриваем хромосомы на основе двуцепочечной ДНК, апросто обозначает направление от одного произвольно выбранного конца хромосомы кдругому. Участки хромосомы нигде не показаны строго параллельными друг другу,поскольку в дальнейшем строгая параллельность будет обозначать строгую гомологию.Цифры обозначают три участка хромосомы между двумя точками разрыва.Рис. 16.1.

Обмен хромосомы сама с собой: а, б – в параллельной ориентации, в, г – вантипараллельной ориентации. Цифры обозначают три отрезка хромосомы, границыкоторых определяются концами хромосомы и двумя точками разрыва. Стрелкиобозначают направление этих фрагментов в интактной хромосоме от одного ее конца кдругому. Перекрестье обозначает обмен участками при негомологичном воссоединенииразрыва, поперечный штрих – точку воссоединения разрыва, черный кружок –центромеру. Ацентрические хромосомы, несовместимые с жизнью зачеркнуты. а, в –центромера находится между точками разрыва, б, г.

– центромера находится междуконцом хросомомы и одной из точек разрыва.Большое значение имеет расположение точек обмена относительно центромеры. Еслипри образовании делеции центромера не находится между точками обмена, то кольцо,лишенное центромеры, просто потеряется в первом же митозе, а оставшаяся хромосомабудет иметь простую интерстициальную делецию, лишившись вырезанного в кольцофрагмента. Если центромера находилась между точками обмена, то напротив, потеряетсялинейный продукт обмена и будет получена кольцевая хромосома, которая, как мы ужезнаем, способна проходить митоз. Но она будет лишена участков ДНК за пределами двухобменов, то есть также будет иметь место делеция, причем сразу с обоих концовхромосомы.

Делеции первого типа встречаются часто, второго типа – попадаются на глазакрайне редко.При образовании инверсии мы имеем всего один продукт, который сохраняет и своюцентромеру, и все остальные участки ДНК, поэтому он точно не потеряется в митозе.

Темне менее, два возможных типа инверсий в отношении центромеры необходимо различать,так как они по разному ведут себя в мейозе. Это перицентрические инверсии – когдацентромера расположена между двумя точками обмена, и парацентрические инверсии –когда она расположена за пределами участка между двумя обменами. Фонетическоесходство двух этих терминов делает почти безнадежной задачу запомнить который из нихсоответствует какой ситуации без помощи каких-нибудь мнемоничеких уловок.Предлагаю воспользоваться вашим знанием органической химии и вспомнить орто-, метаи пара- позиции в бензольном кольце. Если центр кольца ассоциировать с центромерой, топара-положение будет соответствовать парацентрической инверсии, когда разрывыудалены от центромеры в одну сторону.У нас за кадром остались случаи, когда одна из точек обмена приходится как раз нацентромеру (центромеры).

В случае делеции может быть утеряна часть центромерныхповторов и один из блоков прицентромерного гетерохроматина, и эффективностьуменьшенной центромеры будет зависеть от размера отставшейся части. В случаеинверсии часть центромерного повтора будет перенесена за пределы центромеры и можетпривести к появлению там центромерной активности, что может даже служитьпредпосылкой для возникновения неоцентромеры в случае утраты основной центромеры.16.3.3. Обмен с гомологомПредставим себе, что вместо той же самой хромосомы в обмене участвует сестринскаяхроматида или гомолог.