18. Рекомбинация днк

Перестройки геномов широко распределены в природе. Их результатом является перераспределение генетического материала, приводящее к возникновению новых комбинаций генов. Перестройки геномов могут осуществляться вследствие включения (инсерции) или удаления (делеций) протяженных последовательностей ДНК, инверсий фрагментов ДНК, обмена участками ДНК (рис.).

Перестройки ДНК. А – инсерция и делеция участка ДНК, В – инвесия,С – обмен участками ДНК

Вышеназванные перестройки ДНК являются результатом ее рекомбинации. Под рекомбинацией понимают возникновение новых последовательностей ДНК за счет разрывов и воссоединений молекул. Различают несколько вариантов рекомбинационных процессов: гомологичную (общую), сайтспецифическую и незаконную рекомбинации и транспозиции.

ГОМОЛОГИЧНАЯ РЕКОМБИНАЦИЯ

Этот тип рекомбинации (рис. 9.2А,Б) начинается с одноцепочечных разрывов, осуществляемых ферментом эндонуклеазой. Далее между молекулами ДНК происходит обмен цепями, приводящий к образованию крестообразной структуры (рис. 9.2В), которая получила названия полухиазма Холидея от имени ученого предложившего данный механизм рекомбинации. Затем происходит перемещение точки перекреста цепей вдоль рекомбинирующих молекул ДНК с образованием гетеродуплекса (рис. 9.2Г). Этот процесс осуществляют специфические ферменты. Размеры гетеродуплекса могут достигать нескольких тысяч пар оснований. Далее полухиазма может быть разрезана двумя способами. При одном способе разрыва рекомбинирующие молекулы обмениваются своими частями (рис. 9.2Д,Ж). При другом способе разрыва рекомбинирующие молекулы обмениваются одноцепочечными участками, образовавшими гетеродуплекс (рис. 9.2Е,З).

Рис. 9.2. Гомологичная рекомбинация

Цепи ДНК в гетеродуплексе могут быть не полностью комплементарными. Неспаренные основания могут с помощью репарации заменены на комплементарные. В этом случае информация, записанная в одной из цепей ДНК, исчезнет и заменится на информацию,закодированную в другой цепи. Рассмотренная модель механизма гомологичной рекомбинации характерна как для прокариот, так и для соматических и половых клеток эукариот. В результате гомологичной рекомбинации может происходить: а) инверсия участка ДНК, заключенного между обращенными повторами; б) удаление сегмента ДНК при наличии прямых повторов; в) «неравный кроссинговер» между сестринскими хроматидами, его результатом является утрата фрагмента ДНК в одной хроматиде и его добавление в другой. Биологическое значение гомологичной рекомбинации велико.

Ее результатом является перекомбинация генов, что позволяет организмам постоянно приспосабливаться к среде обитания. Перестройки генетического материала, обусловленные гомологичной рекомбинацией, играют важную роль в регуляции экспрессии генов.

САЙТ-СПЕЦИФИЧЕСКАЯ РЕКОМБИНАЦИЯ

Сайт-специфическая рекомбинация не требует протяженных гомологичных участков ДНК. Для ее протекания необходимы определенные короткие гомологичные участки ДНК (15 – 30 п.н.) и специфический ферментативный аппарат. Этот тип рекомбинации характерен для вирусов, прокариот и эукариот. Благодаря сайт-специфической рекомбинации происходит интеграция ДНК умеренных фагов в хромосому бактерий, инверсия определенных участков ДНК в хромосомах бактерий.

Интеграция фага в хромосому E.coli. Первая изученная сайт-специфическая рекомбинация – интеграция фага в хромосому E.coli (рис.). После проникновения фага внутрь клетки E.coli линейная двухцепочечная ДНК переходит в кольцевую форму, благодаря наличию на ее концах комплементарных одноцепочечных последовательностей. Затем ДНК фага интегрирует в хромосому бактерии в строго определенном месте. Фаг, интегрированный в хромосому бактерии, называется профагом. Возможно также и вырезание профага из хромосомы. Этот процесс протекает в обратной последовательности. Для интеграции фага необходимы белок, закодированный в геноме фага, – интеграза – и белок IHF (integratin host factor) бактериального происхождения. Для вырезания профага из хромосомы кроме указанных белков еще дополнительный продукт одного из фаговых генов.

Рис Интеграция фага в хромосому E.coli

Сайт-специфическая рекомбинация у фага Mu

В центре ДНК фага Mu располагается сегмент G, размер которого составляет около 3000 п.н. На его флангах имеются инвертированные повторы (около 30 п.н.). В каждом повторе содержится сайт,участвующий в рекомбинации. Ее осуществляет закодированный в геноме фага фермент – инвертаза, в результате действия которой происходит инверсия G-сегмента (рис. 9.4). Этот процесс является обратимым. При одной ориентации сегмента G транскрибируются гены, ответственные за адсорбцию и размножение фага на одних бактериальных клетках. При другой ориентации сегмента с того же самого промотора транскрибируются другие гены, ответственные за адсорбцию и размножение фага на других бактериальных клетках.

Таким образом, инверсии сегмента позволяют фагу Mu менять круг

хозяев, в которых он может размножаться.

Рис Сайт-специфическая инверсия сегмента G у фага Mu

ТРАНСПОЗИЦИИ

В результате транспозиции (особых рекомбинационных процессов) происходит перемещение мобильных генетических элементов из одного участка молекулы ДНК в другой участок или другую молекулу ДНК. Мобильные элементы характерны как для прокариот, так и для эукариот. Они, как правило, построены из центральной части, на флангах которой расположены обращенные или прямые концевые повторы (рис. 9.7). В центральной области обычно присутствует ген(ы), ответственный(ые) за транспозицию. Встраивание мобильных элементов в результате транспозиции чаще всего не является специфичным и происходит в случайные участки ДНК. Большинство мобильных элементов с обеих сторон ограничены короткими прямыми повторами ДНК-мишени (обычно 5 или 9 п.н.), возникшими в результате дупликации ДНК-мишени при транспозиции элемента.

Рис. 9.7. Схематическое изображение организации мобильных элементов

Транспозиции от гомологичной рекомбинации отличаются отсутствием гомологий между мобильным элементом и его участком встраивания, а от сайт-специфической рекомбинации – тем, что встраивание мобильного элемента происходят в случайные участки ДНК.

НЕЗАКОННАЯ РЕКОМБИНАЦИЯ

Незаконная рекомбинация осуществляется между негомологичными молекулами ДНК и без механизмов сайт-специфической рекомбинации и транспозиций. В результате незаконной рекомбинации происходит воссоединение концов негомологичных ДНК. Примерами незаконной рекомбинации являются интеграция введенной в ядро клетки с помощью микроинъекций ДНК в хромосому, захват ретровирусом клеточных генов при его вырезании из хромосомы. Незаконная рекомбинация играет определенную роль и при перестройках генов иммуноглобулинов. Механизмы незаконной рекомбинации к настоящему времени недостаточно хорошо изучены.