Молекулярний механізм кросинговеру. Конверсія генів

Вивчення явища кросинговеру за допомогою генетичних і цитологічних методів привело до різних уявлень щодо механізмів виникнення рекомбінантних хроматид і хромосом.

К. Бріджес запропонував гіпотезу, що відома як гіпотеза «розрив–воз’єднання». Згідно цієї гіпотези відбуваються розриви в середині хроматид, які згодом з’єднуються із «перехрестом», тобто взаємним обміном ділянками.

Одночасно розглядалася гіпотеза Дж. Белінга («копі-чойз») – вибіркового копіювання або синтезу із зміною матриці.

В 1930 р. Х. Вінклер запропонував ще одну гіпотезу, згідно з якою рекомбінантні класи нащадків дигетерозиготи є наслідком перетворення (конверсії) одних алелів генів у інші в процесі мейозу.

Конверсія генів дійсно спостерігається у грибів і призводить до порушення розщеплення в тетрадах (у грибів їх легко спостерігати в асках). Наприклад, розщеплення у гетерозигот Аа: замість 2А:2а спостерігали 3А:1а або 1А:3а. Однак гіпотеза конверсії не могла пояснити всі випадки утворення рекомбінантних гамет, тому що вона трапляється значно рідше (у дріжджів ≤1%) ніж гомологічна рекомбінація.

Таким чином на початку досліджень розглядали дві робочі гіпотези кросинговеру «копі-чойз» та «розрив-воз’єднання». Згодом було отримано багато експериментальних даних на користь останньої гіпотези.

Так, на користь гіпотези Бріджеса свідчили цитологічні дані про те, що в основі кросинговеру лежить фізичний обмін ділянок хромосом.

Одним із переконливих підтверджень справедливості гіпотези «розрив-воз’єднання» стали досліди Дж. Тейлора.

Лялечкам коника вводили тимідин, мічений радіоізотопом Н³-тритієм, таким чином, щоб він включався у хромосоми в останньому мітортичному циклі перед мейозом. Таким чином, у профазі І мейозу кожна хромосома містила одну мічену і одну немічену хроматиди. Післч завершення профази на радіоавтографах були чітко видні хромосоми, які складалися з мічених і немічених частин.

Такий обмін фрагментами між сестринськими хроматидами можна пояснити лише з позицій гіпотези «розрив-воз’єднання».

На користь гіпотези «розрив-воз’єднання» свідчать і інші факти, а саме:

– цитологічні докази кросинговеру;

– рекомбінація ДНК здійснюється на фоні блокованого ре плікативного синтезу;

– мутагени, що призводять до локальних розривів у ланцюгах ДНК, збільшують частоту рекомбінації.

Існує декілька гіпотез щодо молекулярних механізмів кросинговеру і генетичної рекомбінації. Найбільш відома експериментально обґрунтована модель, запропонована англійським дослідником Р. Холідеєм у 1964 р. для еукаріотних організмів. Вона являє собою молекулярно-біологічну інтерпретацію класичної теорії кросинговеру «розрив-воз’єднання» і в загальних рисах справедлива для всіх варіантів гомологічної рекомбінації.

Кросинговер відбувається у зближених бівалентах, тобто на стадії чотирьох хроматид. Однак у кожному акті кросинговеру беруть участь лише дві з них. Вважають, що ініціюють кросинговер дволанцюгові розрізи ДНК, які відбуваються у ранній профазу мейозу. Вони здійснюються ендонуклеазою – топоізомеразою ІІ, продуктом гена Spo11, яка є похідною топоізомерази УІ архебактерій. Ендонуклеаза (ніказа) робить розтин у обох ланцюгах ДНК однієї хроматиди у місцях chi -сайтів (пахітенна ДНК). Надалі включаються механізми репарації дволанцюгових розрізів ДНК (DSB) на матриці цілої молекули ДНК гомологічної хромосоми. До 3′-кінців одноланцюгової ДНК (ssDNA) приєднуються білки Rec A і SSB (у еукаріотів Rec A подібні продукти генів Rad51 і Dmc1), що сприяє зближенню двох сусідніх молекул ДНК і проникненню 3′-кінців розрізаної ДНК у двоспіральну структуру молекули-партнеру. За цих умов власна дволанцюгова структура взаємодіючих молекул розплітається, а за рахунок парування (гібридизації) ниток із різних молекул утворюються гетеродуплекси. Фрагменти розірваних ланцюгів із обох молекул ДНК з’єднуються хрест-навхрест, внаслідок чого утворюється напівхіазма або структура Холідея. Напівхіазмі властива здатність до міграції галуження, що призводить до зростання протяжності ділянки гетеродуплекса. Напівхіазма може розв’язатися двома шляхами: відновленням цілісності вихідних молекул ДНК (крім ділянок гетеродуплексів), або перетворенням в хіазму, тобто здійснення кросоверного обміну – обміну гомологічних хромосом своїми ділянками. Для того, щоб гомологи утримувались разом в бівалентах до анафази І з подальшим регулярним розходженням до полюсів, необхідним є хоча б один кросоверний обмін на бівалент.

Утворення гетеродуплексів у процесі кросинговеру призводить до конверсії генів. Якщо в ланцюгах, які утворюють гетеродуплекс, гени представлені різними алелями, то гетеродуплекси будуть містити некомплементарні пари нуклеотидів. Такі пари виявляються системами репарації, які коригують один ланцюг, використовуючи інший як матрицю. Матрицею може слугувати як один, так і другий ланцюг гетеродуплекса. Таким чином, якщо матрицею для репарації двох реципрокних гетеродуплексів будуть слугувати обидва ланцюга однієї ДНК (одного алеля гена), тоді із чотирьох хроматид одна буде містити один алель гена, а три хроматиди – інший.

Хоча молекулярний механізм кросинговеру був запропонований для мейотичної рекомбінації, яка регулярно відбувається у всіх еукаріотів з високою частотою, передбачають його подібність і для так званого соматичного або мітотичного кросинговеру. Такий кросинговер спостерігається із незначною частотою у всіх еукаріот, що підтверджують досліди Тейлора на корінцях бобів. Із значною частотою він відбувається у незавершених грибів – дейтероміцетів та інших організмів, які позбавлені мейозу. Цей факт підтверджує велике значення гомологічної рекомбінації не лише у створенні комбінативної мінливості, але і у перебудовах геному під час онтогенезу.

Поиск по сайту: