Рекомбинация генов: механизмы процесса

Рекомбинация генов — это обмен генетическим материалом между различными организмами. Она приводит к производству потомства с комбинациями признаков, отличающихся от тех, которые встречаются у обоих родителей. Большая часть таких генетических обменов происходит естественным путем.

Как происходит

Рекомбинация генов начинается в результате разделения генов во время образования гамет при мейозе, оплодотворении и скрещивании. Пересечение позволяет аллелям на молекулах ДНК менять положение от одного гомологичного сегмента хромосомы к другому. Рекомбинация отвечает за генетическое разнообразие вида или популяции.

Структура хромосом

Хромосомы расположены внутри ядра клеток. Они формируются из хроматина — массы генетического материала, состоящего из ДНК, которая плотно обвита вокруг белков, называемых гистонами. Хромосома обычно одноцепочечная и состоит из центромерной области, которая соединяет длинную и короткую области.

Дублирование хромосом

Когда клетка входит в свой жизненный цикл, ее хромосомы дублируются через репликацию ДНК в рамках подготовки к делению. Каждая дублированная хромосома состоит из двух идентичных, называемых сестринскими хроматидами. Они связаны с центромерной областью. При делении клеток образуются парные наборы. Они состоят из одной хромосомы (гомологичной) от каждого родителя.

Хромосомный обмен

Рекомбинация генов при кроссинговере впервые была описана Томасом Хантом Морганом. У эукариот она облегчается хромосомным пересечением. Процесс скрещивания приводит к тому, что потомство имеет различные комбинации генов и может производить новые химерные аллели. Это позволяет организмам, размножающимся половым путем, избегать храповика Меллера, в котором геномы бесполой популяции накапливают генетические делеции необратимым образом.

Во время профазы I четыре хроматиды плотно соединены. В этом образовании гомологичные сайты на двух молекулах могут тесно спариваться друг с другом и обмениваться генетической информацией. Рекомбинация генов может происходить в любом месте вдоль хромосомы. Ее частота между двумя точками зависит от расстояния, разделяющего их.

Значение

Отслеживание движения генов в результате кроссоверов оказалось весьма полезным для генетиков. Это дает возможность определить, насколько далеки друг от друга два гена в хромосоме. Наука также может использовать этот метод для вывода о наличии определенных генов. Одна молекула в связанной паре служит маркером для выявления наличия другой. Это используется, чтобы обнаружить присутствие болезнетворных генов.

Частота рекомбинации между двумя наблюдаемыми локусами является значением пересечения. Она зависит от взаимного расстояния наблюдаемых генетических очагов. Для любого фиксированного набора условий окружающей среды рекомбинация в определенной области структуры связей (хромосомы) имеет тенденцию быть постоянной. То же самое справедливо для значения пересечения, которое используется при создании генетических карт.

Мейоз

Хромосомный кроссовер включает обмен парными хромосомами, унаследованными от каждого из родителей. Мейоз, как основа рекомбинации генов, играет в этом процессе важную роль. Молекулярные модели этого процесса эволюционировали с годами по мере накопления соответствующих доказательств. Новая модель демонстрирует: два из четырех хроматидов, присутствующих в начале мейоза (профаза I), спарены друг с другом и способны взаимодействовать. В ней имеет место рекомбинация хромосом и генов. Однако объяснения адаптивной функции мейоза, которые фокусируются исключительно на пересечении, недостаточны для большинства событий обмена.

Митоз и негомологичные хромосомы

В эукариотических клетках скрещивание также может происходить во время митоза. При этом получаются две клетки с идентичным генетическим материалом. Любой кроссовер, который происходит между гомологичными хромосомами в митозе, не производит новую комбинацию генов.

Пересечение, которое происходит в негомологичных хромосомах, может произвести мутацию, известную как транслокация. Она происходит, когда сегмент хромосомы отделяется от и перемещается в новое положение на негомологичной молекуле. Этот тип мутации может быть опасен, так как часто приводит к развитию раковых клеток.

Конверсия генов

При преобразовании генов часть генетического материала копируется из одной хромосомы в другую без изменения донора. Конверсия генов происходит с высокой частотой в фактическом месте. Это процесс, посредством которого последовательность ДНК копируется из одной спирали в другую. Рекомбинация генов и хромосом изучалась в грибковых скрещиваниях, где удобно наблюдать четыре продукта отдельных мейозов. События генной конверсии можно отличить как отклонения в индивидуальном делении клеток от нормальной сегрегации 2:2.

Генная инженерия

Рекомбинация генов может быть искусственной и преднамеренной. Ее используют на разрозненных фрагментах ДНК, часто из разных организмов. Таким образом получается рекомбинантная ДНК. Искусственная рекомбинация может быть использована для добавления, удаления или изменения генов организма. Этот метод важен для биомедицинских исследований в области генной и белковой инженерии.

Рекомбинантное восстановление

Во время митоза и мейоза поврежденные различными экзогенными факторами ДНК могут быть спасены путем гомологичной стадии восстановления (ГСВ). У людей и грызунов дефицит генных продуктов, необходимых для ГСВ во время мейоза, вызывает бесплодие.

У бактерий трансформация — это процесс передачи генов, который обычно происходит между отдельными клетками одного и того же вида. Она предполагает интеграцию донорской ДНК в хромосому реципиента путем рекомбинации генов. Этот процесс является адаптацией для восстановления поврежденных клеток. Трансформация может принести пользу патогенным бактериям, позволяя восстанавливать повреждения ДНК, возникающие в воспалительной, окислительной среде, связанной с инфекцией хозяина.

Когда два или более вирусов, каждый из которых содержит смертельные геномные повреждения, заражают одну и ту же клетку-хозяина, геномы могут спариваться друг с другом и проходить ГСВ для получения жизнеспособного потомства. Этот процесс называется реактивацией множественности. Он изучался у нескольких патогенных вирусов.

Рекомбинация в прокариотических клетках

Прокариотические клетки, подобно одноклеточным бактериям без ядра, также подвергаются генетической рекомбинации. При этом гены одной бактерии включаются в геном другой путем скрещивания. Бактериальная рекомбинация осуществляется процессами конъюгации, трансформации или трансдукции.

В конъюгации одна бактерия соединяется с другой через белковую трубчатую структуру. В процессе трансформации прокариоты берут ДНК из окружающей среды. Они чаще всего происходят из мертвых клеток.

При трансдукции ДНК обменивается через вирус, который заражает бактерии, известный как бактериофаг. Как только чужеродная клетка интернализируется посредством конъюгации, трансформации или трансдукции, бактерия может вставлять ее сегменты в свою собственную ДНК. Эта передача осуществляется путем скрещивания и приводит к созданию рекомбинантной бактериальной клетки.