В.М. Глазер - Гомологичная генетическая рекомбинация (статья)

HOMOLOGOUS GENETICRECOMBINATIONV. M. GLASERГОМОЛОГИЧНАЯ ГЕНЕТИЧЕСКАЯРЕКОМБИНАЦИЯÇ. å. ÉãÄáÖê© É·ÁÂ Ç.å., 1998Genetic recombination isa major source of hereditaryvariation.Thisdefines its important rolein evolution as well as inprocesses of ontogenesis. In this article areexamined the nature andcurrent models of homologous (general) recombination, i.e. the process,whentheinteraction(synapsis) between recombining homologous molecules is based on mutualrecognition and pairingof DNA complementarystrands.ÉÂÌÂÚ˘ÂÒ͇fl ÂÍÓÏ·Ë̇ˆËfl fl‚ÎflÂÚÒfl Ó‰ÌËÏËÁ ÓÒÌÓ‚Ì˚ı ËÒÚÓ˜ÌËÍӂ̇ÒΉÒÚ‚ÂÌÌÓÈ ËÁÏÂ̘˂ÓÒÚË.

ùÚÓ ÓÔ‰ÂÎflÂÚ ‚‡ÊÌÛ˛ Óθ Í‡Í ‚˝‚ÓβˆËË, Ú‡Í Ë ‚ ÓÌÚÓ„ÂÌÂÚ˘ÂÒÍÓÈ ËÁÏÂ̘˂ÓÒÚË. Ç Òڇڸ ‡ÒÒÏÓÚÂÌ˚ ÔËÓ‰‡ Ë ÏÂı‡ÌËÁÏ˚„ÓÏÓÎӄ˘ÌÓÈ(Ó·˘ÂÈ)ÂÍÓÏ·Ë̇ˆËË, „‰Â ‚Á‡ËÏÓ‰ÂÈÒÚ‚Ë (ÒË̇ÔÒËÒ)ÏÂʉÛÂÍÓÏ·ËÌËÛ˛˘ËÏË„ÓÏÓÎӄ˘Ì˚ÏËÏÓÎÂÍÛ·ÏË ÓÒÌÓ‚‡ÌÓ Ì‡‚Á‡ËÏÌÓÏ ÛÁ̇‚‡ÌËË ËÒÔ‡Ë‚‡ÌËË ÍÓÏÔÎÂÏÂÌÚ‡Ì˚ı ˆÂÔÂÈ Ñçä.åÓÒÍÓ‚ÒÍËÈ „ÓÒÛ‰‡ÒÚ‚ÂÌÌ˚È ÛÌË‚ÂÒËÚÂÚËÏ. å.Ç. ãÓÏÓÌÓÒÓ‚‡ÇÇÖÑÖçàÖГенетическая рекомбинация – это перераспределение генетического материала (ДНК), приводящее к возникновению новых комбинаций генов.Рекомбинация может происходить путем обменаклеточными ядрами, целыми молекулами ДНК иличастями молекул. В то время как процессы репликации и репарации ДНК1 обеспечивают воспроизведение и сохранение генетического материала, рекомбинация приводит к генетической изменчивости.Биологическое значение рекомбинации столь велико, что она получила развитие у всех живых организмов.

Она может происходить у эукариот (какпри образовании половых клеток – гамет, так и в соматических клетках), у бактерий и даже при размножении вирусов, в том числе таких, генетический материал которых состоит из РНК. Перетасовкахромосом в мейозе, приводящая к огромному разнообразию гамет, случайность слияния гамет приоплодотворении, обмен частями между гомологичными хромосомами – все это (и далеко не толькоэто) относится к рекомбинации.Понятно, что из широкого круга рекомбинационных явлений интерес молекулярных биологов впервую очередь вызывает рекомбинация, заключающаяся в обменах частями между молекуламиДНК, ведь здесь можно применять весь арсенал методов генетики и молекулярной биологии, и эти исследования перекрываются с изучением другихважных генетических процессов, прежде всего репликации и репарации ДНК.

Но даже в таком виде,суженном до обменов частями молекул ДНК, понятие “рекомбинация” включает большой набор разных по своей природе явлений. При этом для всехрекомбинационных процессов общим являетсяэтап, на котором молекулы ДНК вступают в контакт в участке, где произойдет обмен полинуклеотидными цепями. Этот этап получил название “синапсис”. Однако механизм синапсиса при разныхтипах рекомбинации принципиально различен. Более того, он является одним из критериев при классификации рекомбинационных явлений.Прежде чем перейти к их рассмотрению, напомним некоторые термины и понятия, которыми мы1См. статьи: Фаворова О.О. Сохранение ДНК в ряду поколений: репликация ДНК // Соросовский Образовательный Журнал.

1996. № 4. С. 11–17; Сойфер В.Н. Репарациягенетических повреждений // Там же. 1997. № 8. С. 4–13.ÉãÄáÖê Ç.å. ÉéåéãéÉàóçÄü ÉÖçÖíàóÖëäÄü êÖäéåÅàçÄñàü13будем пользоваться. Молекула ДНК представляетсобой дуплекс – структуру из двух закрученных вспираль полинуклеотидных цепей1. Последовательность нуклеотидов в цепях определяет специфичность ДНК и несет генетическую информацию.Молекулы, имеющие общее происхождение и состоящие из одинаковых нуклеотидных последовательностей, называют гомологичными.

Однако ихидентичность нарушается из-за мутаций, накапливающихся в течение поколений. По большей частимутации приводят к заменам единичных нуклеотидов, реже к выпадениям и вставкам отдельных нуклеотидов. Поэтому нарушения гомологии в результате мутаций не очень существенны по сравнению сосновной массой идентичных нуклеотидов, и в таких случаях можно говорить об общей гомологиимолекул.

Каждая новая мутация приводит к образованию нового аллеля в том гене, где она возникла.Следовательно, новые аллели обычно отличаютсяот исходной формы одним нуклеотидом. Если мутация приводит к изменению фенотипа у исходнойформы, то к ней можно применять также термин“генетический маркер”.Две цепи, составляющие дуплекс ДНК, антипараллельны, то есть имеют разную полярность: однацепь имеет направление 5'–3', другая – 3'–5'. Цепиудерживаются вместе водородными связями междупарами комплементарных оснований А–Т и G–C.Поэтому обе цепи в дуплексе являются также комплементарными.

Процесс расхождения цепей в результате разрыва водородных связей есть денатурация, обратная реакция – ренатурация. Все этосказано для того, чтобы подвести читателя к отправной идее статьи: поскольку отдельные цепи ДНК,полученные от разных родителей, гомологичны и,следовательно, комплементарны, они могут ренатурировать, формируя новый дуплекс. Иными словами, гомологичные ДНК могут узнавать друг другапо комплементарности их нуклеотидной последовательности. Новый дуплекс, состоящий из цепейот разных молекул, называется гетеродуплексом.А теперь можно дать классификацию основныхтипов рекомбинации.

Все, что говорилось о гомологии ДНК и комплементарности полинуклеотидных цепей, относится к гомологичной, или общей,рекомбинации (она же кроссинговер), основаннойна спаривании комплементарных цепей ДНК. Отдругих типов рекомбинационных процессов ее отличают необходимость в общей (по всей длине молекул) гомологии между рекомбинирующими ДНКи участие большого набора специальных белков. Гомологичная рекомбинация начинается с возникновения в одном или обоих дуплексах участков из одиночных цепей ДНК, которые затем с помощьюспециальных белков находят комплементарныепоследовательности в гомологичном дуплексе иобразуют с ними гетеродуплекс – ключевой промежуточный продукт (интермедиат) рекомбинации.Конечным результатом рекомбинации будет обменравными частями гомологичных молекул (рис.

1).Из общей рекомбинации можно выделить какчастный случай так называемую эктопическую рекомбинацию. Она заключается в обменах (кроссинговерах) между отдельными участками гомологичной ДНК, разбросанными по геному. К нимотносятся разнообразные подвижные элементы,названные так за способность перемещаться по геному, гены транспортных и рибосомных РНК, гистонови многие другие повторяющиеся последовательности (повторы) ДНК. Такая локальная гомологичнаярекомбинация интересна прежде всего тем, что онаможет приводить к хромосомным перестройкам,хотя ее биологическая роль этим не исчерпывается.На рис.

2 в качестве примера приведены схемы возникновения инверсий (поворотов внутренних участков хромосом на 180°), утрат (делеций) и удвоений (дупликаций) частей хромосом в результатеэктопической рекомбинации. Это только часть возможных перестроек хромосом.

Другие их типы могут возникать в зависимости от того, какова ориентация повторов ДНК по отношению друг к другу(прямая или обратная), и от того, где они расположены: внутри одной хромосомы, в сестринских хроматидах или разных хромосомах. Несмотря на то,что обмены происходят между локальными участками гомологии, эктопическая рекомбинация осуществляется в основном теми же белками, что и гомологичная. Принципиально иными являются тридругих типа рекомбинации, которые основаны нена взаимодействии комплементарных цепей ДНК,а на совершенно иных механизмах и участии иныхбелков.

Пока ограничимся тем, что просто перечислим их: сайт-специфическая2 рекомбинация, транспозиции и незаконная рекомбинация. Этим типамрекомбинации посвящена следующая статья в этомномере журнала.åéÑÖãú ïéããàÑÖüРассмотрение гомологичной рекомбинацииначнем с общей модели кроссинговера, опубликованной в 1964 году американским генетиком Р. Холлидеем.

Сразу оговоримся, что Холлидей предложил эту модель с конкретной целью, а именно дляобъяснения результатов, полученных им и другимиисследователями генетики грибов. Модель былаформальной, без детализации молекулярных механизмов рекомбинационных реакций, она не рассматривала белки, их осуществляющие, посколькув начале 60-х годов большинство из них не было известно. Но как раз в то время началось бурное развитие молекулярной генетики и случилось так, что1Более подробно строение ДНК описано в статье: Кнорре Д.Г. Биохимия нуклеиновых кислот // СоросовскийОбразовательный Журнал. 1996. № 3.

С. 11–16.142Сайт – некая точка или участок в молекуле ДНК, РНКили белка.ëéêéëéÇëäàâ éÅêÄáéÇÄíÖãúçõâ ÜìêçÄã, ‹7, 1998бaaAAbbBbBbaaABAbabaBаfa bcde f g d'c'b' hea bc'd' g f e d c b' haбa bcde f g b'c'd' hAXaXACbBCgafea bc'd' h + gBbgb'c'd'аBBbcdAAhfebcdb' c'd' hcdb'вcce f g b'c'd' he f g b'c'd' hfaвa bcda bcdebcda bcdBbCcaXB ba bcde f gb'c d e f ghb' c'd' hb'c'd' ha b c'd' hcACAe f ggb'c'd'aaв'Рис. 1. Схемы гомологичной рекомбинации (кроссинговера). Все линии соответствуют дуплексамДНК.