В.М. Глазер - Гомологичная генетическая рекомбинация (статья) (1117837), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Синий и красный цвет позволяет различатьгомологичные молекулы. Вертикальные черточкиизображают центромеры. Кроссинговер обозначен знаком “Х”: а – кроссинговер в профазе 1-годеления мейоза. Четыре дуплекса ДНК здесь соответствуют хроматидам. Сестринские хроматиды соединены центромерой. Все хроматиды вместе составляют тетраду. В каждом акте кроссинговера участвуют две хроматиды из четырех.
Вданном случае кроссинговер произошел междудвумя внутренними хроматидами. Продукты кроссинговера – две рекомбинантные и две нерекомбинантные хроматиды; б – кроссинговер в соматической клетке на стадии G1 клеточного цикла(клетки прошли через митотическое деление, но уних не произошла репликация хромосом). Поэтому здесь дуплекс ДНК соответствует хромосоме.Отметим, что кроссинговер в G1-клетках не выявляется генетическими методами, но обнаруживается физико-химическими методами; в – кроссинговер в клетке кишечной палочки Escherichiacoli.
Одна из участвующих в рекомбинации клеток(реципиент), имеющая кольцевую хромосому(красная), получила от клетки-донора линейныйфрагмент двуцепочечной ДНК (синий). Большаячасть донорного фрагмента замещает гомологичный участок в реципиентной хромосоме. Обращаем внимание на то, что здесь кроссинговер происходит дважды, вблизи обоих концов фрагмента.Единичный кроссинговер только на одном концефрагмента привел бы к гибельному для реципиентной клетки разрыву хромосомы. Такая гипотетическая ситуация изображена на рис.
1, в'ÉãÄáÖê Ç.å. ÉéåéãéÉàóçÄü ÉÖçÖíàóÖëäÄü êÖäéåÅàçÄñàüРис. 2. Схемы перестроек хромосом, осуществляющихся путем кроссинговера между повторяющимися последовательностями ДНК: а – внутримолекулярная рекомбинация между обращенными повторами bcd и d'c'b' в участке между b и с(здесь и далее апострофы позволяют различатьодинаковые части двух повторов) сопровождается поворотом на 180° (инверсией) участка efg, заключенного между повторами; б – внутримолекулярная рекомбинация по прямым повторам bcd иb'c'd'. Для их вхождения в синапсис дуплекс ДНКдолжен изогнуться в виде петли. Кроссинговерпроисходит на участке между b и c, что приводит квырезанию сегмента хромосомы между участками кроссинговера и состыковке сегментов, расположенных снаружи от участков кроссинговера.Вырезаемая последовательность (efg вместе содной копией повтора bcd) имеет кольцевую форму; в – рекомбинация по прямым повторам bcd иb'c'd' между сестринскими хроматидами (известна также под названием “неравный кроссинговер”).
Ее результатом являются утрата (делеция)сегмента efg и одной копии повтора bcd в однойхроматиде и их прибавление (дупликация) к другой хроматиде. Многократное повторение неравного кроссинговера может привести к увеличению количества (амплификации) генов в хромосоме. Эта схема приложима и к рекомбинациимежду гомологичными хромосомами. Остальныеусловные обозначения те же, что в рис. 1новые экспериментальные результаты хорошо вписались в модель Холлидея, дополняя и уточняя ее.По существу история молекулярной генетики рекомбинации – это развитие модели Холлидея. Вусовершенствованном коллективными усилиямигенетиков и молекулярных биологов виде модельпредставлена на рис. 3. Она разработана для мейотического кроссинговера.
Напомним, что ядро мейотической клетки в профазе I содержит по четырегомологичных хроматиды, но в каждом отдельномакте кроссинговера участвуют только две из них. На15рис. 3 изображены два гомологичных дуплекса, соответствующие хроматидам. Для простоты изображены только те две хроматиды из четырех, которыеучаствуют в кроссинговере.В принципе для того, чтобы гомологичные молекулы ДНК поменялись своими частями, сначаладолжны произойти разрывы во всех цепях обоихдуплексов, а уже потом – обмен цепями и замыкание разрывов. У Холлидея разрывы происходят неодновременно, а в два этапа. Рекомбинация начинается с первичных одноцепочечных разрывов фосфодиэфирных связей ДНК (их вносит фермент эндонуклеаза). Разрывы происходят в двух цепяходинаковой полярности (рис.
3, а). Холлидей такжепостулировал, что первичные разрывы возникаютне в случайных, а в определенных сайтах ДНК.Впоследствии эта идея получила экспериментальное подтверждение.Далее от точек первичных разрывов происходитобмен цепями между дуплексами, который приводит к образованию крестообразной структуры, получившей впоследствии название “полухиазмаХоллидея” (рис. 3, б и 4). Такое название объясняется тем, что в полухиазме в обмен вовлечены толькодве цепи ДНК из четырех, что отличает ее от полнойхиазмы – характерного продукта завершенногомейотического кроссинговера, давно известногобиологам. Затем происходит очень важный процесс – перемещение точки перекреста цепей ва5' A3'3'5'aBCbcABC3'5'5'3'ACв'cбabcABCaAbBвabcABCabBbгдC211c2acABbbcaBCеРис. 3.
Модель Холлидея. В отличие от рис. 1 и 2линии соответствуют цепям ДНК, две параллельные линии – дуплексу ДНК. Вертикальные черточки на рис. 3, а отмечают сайты первичных разрывов. Остальные пояснения даны в тексте164231Рис. 4. Электронно-микроскопическая фотография полухиазмы Холлидея. Рекомбинантнаяструктура выделена из хромосомной ДНК вегетативных клеток диплоидных дрожжей Saccharomyces cerevisiae, находящихся в фазе G1 клеточногоцикла. Хромосомная ДНК была обработана рестрикционной эндонуклеазой EcoRI.
Посколькурестрикционная эндонуклеаза производит двуцепочечные разрывы ДНК в определенном сайте, вслучае гомологичной рекомбинации должна образоваться попарно равноплечая крестообразнаяструктура. В данном случае ветвь 1 по длине равна ветви 4, а ветвь 2 – ветви 3. Точка перекрестапомечена знаком × . Пересечение цепей в правойчасти рисунка – результат их наложения друг надруга при подготовке препарата к электронноймикроскопии. Фото М.П. Самадашвили и автораполухиазме вдоль рекомбинирующих дуплексов(рис. 3, в). Такое явление описано под названием“миграция ветвления”. Оно заключается в следующем: от точки перекреста цепей происходит расплетание исходных дуплексов и высвобождающиесяцепи тут же ренатурируют с комплементарными цепями из гомологичных дуплексов, что приводит кобразованию и последующему удлинению гетеродуплекса (B/b на рис.
3, в). Именно в удлинении гетеродуплекса и заключается биологический смыслмиграции ветвления. Ее осуществляют специальные ферменты. Размеры гетеродуплекса при мейотическом кроссинговере колеблются от несколькихсот до одной тысячи п.н., при рекомбинации в соматических клетках и клетках прокариот он ещепротяженнее.Гетеродуплекс сформирован.
Образовавшаясясложная разветвленная структура должна разделиться на гомологи. Это называется разрешениемполухиазмы. Для разрешения необходимы еще дваразрыва цепей: вторичные разрывы завершат обменцепями. Но прежде чем это случится, полухиазмадолжна претерпеть еще одно превращение – изомеризацию. Изомеризация заключается в измененииструктуры полухиазмы, которое происходит за счетобычного теплового движения молекул. На рис. 3изображена схема изомеризации полухиазмы, предложенная Х.
Поттером и Д. Дресслером в 1976 году.Структуры в и в' идентичны: просто вторая изображена в крестообразном виде, что приближает ее креальной (рис. 4). В структуре в' происходит одинповорот на 180° любой пары дуплексных сегментов(плеч), на рисунке это нижняя пара. Образовавшаясяструктура (рис. 3, г) может разрешиться двумя парами вторичных разрывов. Парные разрывы цепейëéêéëéÇëäàâ éÅêÄáéÇÄíÖãúçõâ ÜìêçÄã, ‹7, 1998одинаковой полярности 1–1 или 2–2 приводят кдвум типам рекомбинантных хроматид: хроматидыпервого типа (рис. 3, д ) содержат внутренний гетеродуплекс B/b, а по конфигурации фланговых маркеров А и С не отличаются от исходных (некроссоверные хроматиды); рекомбинантные хроматидывторого типа (рис. 3, е) кроссоверные, они также содержат гетеродуплекс, но обмениваются частями пообе стороны от него.
Оба типа продуктов рекомбинации равновероятны, что соответствует генетическим данным, на которые опирался Холлидей присоздании своей модели.Здесь необходимо сделать небольшое отступление по поводу одного важного процесса, происходящего в гетеродуплексе. Как уже указывалось, отисходных молекул в рекомбинационный гетеродуплекс могут войти разные аллели, и тогда в нем возникнут неспаренные основания, которые локальнонарушат структуру двойной спирали ДНК.
Эти нарушения узнаются специальными ферментнымисистемами, работающими по типу эксцизионнойрепарации (см. статью В.Н. Сойфера “Репарациягенетических повреждений”). Они проводят коррекцию неспаренных оснований в гетеродуплексе:удаляют неспаренное основание в одной цепи ДНКи застраивают образующуюся брешь по матрицедругого аллеля в комплементарной цепи, тем самымпревращая (конвертируя) один аллель в другой. Этоявление было давно известно под названием “конверсия гена”, но теперь мы знаем, что в ее основележит коррекция гетеродуплекса.
Схема конверсиигена на примере мейоза у дрожжей представлена нарис. 5. Из нее ясно, что если гетерозиготная клеткаA/a вступает в мейоз, то в норме среди продуктовмейоза оба аллеля гена A будут представлены в равном соотношении: 2A : 2a. Однако если в районехромосомы, где расположен ген A, произойдеткроссинговер, то сформируется гетеродуплекс A/aс локально неспаренными основаниями, что можетпривести к конверсии гена A: расщепление аллелейгена среди продуктов мейоза будет 3A : 1a или 1A : 3a.Расщепление по генам, расположенным вне участка кроссинговера (на рис. 5 не показаны), сохранитнормальное соотношение аллелей 2 : 2.
Мы виделипри разборе модели Холлидея, что содержащие гетеродуплекс продукты рекомбинации с кроссинговером и без кроссинговера по внешним генам равновероятны, иными словами, конверсия гена вмейозе может одинаково часто сопровождаться и несопровождаться обменом по внешним генам. Этотфакт был основным среди упомянутых выше генетических данных, опираясь на которые Холлидейсоздавал свою модель.Модель Холлидея симметрична: первичные разрывы возникают одновременно в обоих гомологах иобмен цепями происходит синхронно.
Однако имеются генетические данные об асимметричных обменах, полученные, в частности, на дрожжах. В этихслучаях первичный разрыв возникает только в од-ÉãÄáÖê Ç.å. ÉéåéãéÉàóçÄü ÉÖçÖíàóÖëäÄü êÖäéåÅàçÄñàüПродукты мейозаДНК в профазе мейозаAНормальноерасщеплениеAаAA aaaa2A:2aAAAAбAaAaaияекцAKaррКоAКоKррaекцияaКонверсияA AAa3A:1aКонверсияaAa aaa1A:3aРис. 5. Сокращенная схема конверсии гена напримере дрожжей. Линии соответствуют цепямДНК, две параллельные линии – хроматиде. Удрожжей, как и у других грибов-аскомицетов,продукты каждого мейоза какое-то время сохраняются вместе в сумке-аске (заключены в окружность), что позволяет анализировать их отдельноот других мейозов: а – мейоз без кроссинговера;б – мейотический кроссинговер в участке гена А.Остальные пояснения даны в текстеном дуплексе, затем от точки разрыва отделяетсяодна цепь ДНК, которая внедряется в гомологичный дуплекс и в ходе последующей миграции ветвления вытесняет из него цепь той же полярности.После этого обмен превращается в симметричный.Пример такой реакции, но применительно к E.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
