Рекомбінація генів: механізми процесу

Рекомбінація генів-це обмін генетичним матеріалом між різними організмами. Вона призводить до виробництва потомства з комбінаціями ознак, що відрізняються від тих, які зустрічаються у обох батьків. Велика частина таких генетичних обмінів відбувається природним шляхом.

Як відбувається

Рекомбінація генів починається в результаті поділу генів під час утворення гамет при мейозі, заплідненні та схрещуванні. Перетин дозволяє алелям на молекулах ДНК змінювати положення від одного гомологічного сегмента хромосоми до іншого. Рекомбінація відповідає за генетичне різноманіття виду або популяції.

Структура хромосом

Хромосоми розташовані всередині ядра клітин. Вони утворюються з хроматину-маси генетичного матеріалу, що складається з ДНК, яка щільно обмотана навколо білків, званих гістонами. Хромосома, як правило, одноланцюгова і складається з центромерної області, яка з`єднує довгу і коротку області.

Дублювання хромосом

Коли клітина входить у свій життєвий цикл, її хромосоми дублюються через реплікацію ДНК, готуючись до поділу. Кожна дубльована хромосома складається з двох однакових, званих сестринськими хроматидами. Вони пов`язані з центромерною областю. При діленні клітин утворюються парні Набори. Вони складаються з однієї хромосоми (гомологічної) від кожного з батьків.

Хромосомний обмін

Рекомбінація генів при кросинговері вперше була описана Томасом Хантом Морганом. У еукаріот вона полегшується хромосомним перетином. Процес схрещування призводить до того, що потомство має різні комбінації генів і може виробляти нові химерні алелі. Це дозволяє організмам, що розмножуються статевим шляхом, уникати храповика Меллера, в якому геноми безстатевої популяції накопичують генетичні делеції незворотним чином.

Під час профази I чотири хроматиди щільно з`єднані. У цьому утворенні гомологічні ділянки на двох молекулах можуть тісно спаровуватися між собою та обмінюватися генетичною інформацією. Рекомбінація генів може відбуватися в будь-якому місці вздовж хромосоми. Її частота між двома точками залежить від відстані, що розділяє їх.

Значення

Відстеження руху генів в результаті кросоверів виявилося дуже корисним для генетиків. Це дає можливість визначити, наскільки далекі один від одного два гени в хромосомі. Наука також може використовувати цей метод для висновку про наявність певних генів. Одна молекула в зв`язаній парі служить маркером для виявлення наявності іншої. Це використовується для виявлення наявності хвороботворних генів.

Частота рекомбінації між двома спостережуваними локусами є значенням перетину. Вона залежить від взаємного відстані спостережуваних генетичних вогнищ. Для будь-якого фіксованого набору умов навколишнє середовище рекомбінація в певній області структури зв`язків (хромосоми) має тенденцію бути постійною. Те саме стосується значення перетину, яке використовується при створенні генетичних карт.

Мейоз

Хромосомний кросовер передбачає обмін парними хромосомами, успадкованими від кожного з батьків. Мейоз, як основа рекомбінації генів, відіграє важливу роль у цьому процесі. Молекулярні моделі цього процесу еволюціонували з роками, оскільки накопичувалися відповідні докази. Нова модель демонструє: два з чотирьох хроматидів, присутніх на початку мейозу (профаза I), спарені один з одним і здатні взаємодіяти. У ній має місце рекомбінація хромосом і генів. Однак пояснення адаптивної функції мейозу, які зосереджуються виключно на перетині, є недостатніми для більшості обмінних подій.

Мітоз і негомологічні хромосоми

В еукаріотичних клітинах схрещування також може відбуватися під час мітозу. При цьому виходять дві клітини з ідентичним генетичним матеріалом. Будь-який кросовер, який відбувається між гомологічними хромосомами в мітозі, не виробляє нової комбінації генів.

Перетин, який відбувається в негомологічних хромосомах, може призвести до мутації, відомої як транслокація. Вона відбувається, коли сегмент хромосоми відділяється від і переміщається в нове положення на негомологичной молекулі. Цей тип мутації може бути небезпечний, так як часто призводить до розвитку ракових клітин.

Конверсія генів

При перетворенні генів частина генетичного матеріалу копіюється з однієї хромосоми в іншу без зміни донора. Конверсія генів відбувається з високою частотою у фактичному місці. Це процес, за допомогою якого послідовність ДНК копіюється з однієї спіралі в іншу. Рекомбінація генів і хромосом вивчалася в грибкових схрещуваннях, де зручно спостерігати чотири продукти окремих мейозів. Події конверсії генів можна відрізнити як відхилення в індивідуальному поділі клітин від нормальної сегрегації 2: 2.

Генна інженерія

Рекомбінація генів може бути штучною та навмисною. Її використовують на розрізнених фрагментах ДНК, часто з різних організмів. Таким чином виходить рекомбінантна ДНК. Штучна рекомбінація може бути використана для додавання, видалення або зміни генів організму. Цей метод важливий для біомедичних досліджень генної та білкової інженерії.

Рекомбінантне відновлення

Під час мітозу і мейозу пошкоджені різними екзогенними факторами ДНК можуть бути врятовані шляхом гомологічної стадії відновлення (ГСВ). У людей і гризунів дефіцит генних продуктів, необхідних для ГСВ під час мейозу, викликає безпліддя.

У бактерій трансформація-це процес передачі генів, який зазвичай відбувається між окремими клітинами одного виду. Вона передбачає інтеграцію донорської ДНК в хромосому реципієнта шляхом рекомбінації генів. Цей процес є адаптацією для відновлення пошкоджених клітин. Трансформація може принести користь патогенним бактеріям, дозволяючи відновлювати пошкодження ДНК, що виникають у запальному, окислювальному середовищі, пов`язаному з інфекцією господаря.

Коли два або більше вірусів, кожен з яких містить смертельні геномні пошкодження, заражають одну і ту ж клітину-хазяїна, геноми можуть спаровуватися один з одним і проходити ГСВ для отримання життєздатного потомства. Цей процес називається реактивацією множинності. Він вивчався у кількох патогенних вірусів.

Рекомбінація в прокаріотичних клітинах

Прокаріотичні клітини, подібно до одноклітинних бактерій без ядра, також піддаються генетичній рекомбінації. При цьому гени однієї бактерії включаються в геном іншої шляхом схрещування. Бактеріальна рекомбінація здійснюється процесами кон`югації, трансформації або трансдукції.

У кон`югації одна бактерія з`єднується з іншою через білкову трубчасту структуру. У процесі трансформації прокаріоти беруть ДНК з навколишнього середовища. Вони найчастіше походять з мертвих клітин.

При трансдукції ДНК обмінюється через вірус, який заражає бактерії, відомий як бактеріофаг. Як тільки чужорідна клітина інтерналізується за допомогою кон`югації, трансформації або трансдукції, бактерія може вставляти її сегменти у власну ДНК. Ця передача здійснюється шляхом схрещування і призводить до створення рекомбінантної бактеріальної клітини.