РЕКОМБИНАЦИЯ

РЕКОМБИНАЦИЯ (лат. re- приставка, означающая повторение, возобновление, + позднелат. combinatio соединение) — процесс перегруппировки генетического материала, результатом к-рого является появление новых сочетаний генетических структур (генов, хромосом, участков хромосом и т. д.) и контролируемых ими признаков у дочерних особей или клеток. Тот или иной вид генетической Р. существует у всех живых организмов и составляет материальную основу наследственной изменчивости (см.). Р. у эукариотов осуществляется в митозе (см.) и в мейозе (см.), когда происходит распределение хромосом и кроссинговер.

Примером генетической Р. служит следующее: напр., если один из родителей имеет светлые волосы и карие глаза, а другой — темные волосы и голубые глаза, то их дети могут унаследовать сочетание цвета волос и глаз кого-либо из родителей либо эти признаки проявятся у них в новых, рекомбинантных сочетаниях (светлые волосы и голубые глаза или темные волосы и карие глаза).

Существует несколько видов генетической Р. У эукариотов основными видами Р. являются: Р. несцепленных генов в результате независимого распределения негомологичных пар хромосом (см. Хромосомы) в мейозе и случайной встречи гамет при оплодотворении (см. Менделя законы); Р. сцепленных генов и несущих их гомологичных хромосом в результате кроссинговера. Иногда эти два вида Р. обозначают как Р. хромосом в широком смысле, хотя чаще иод Р. хромосом понимают только процесс кроссинговера и его результат. У прокариотов (бактерий, вирусов) аналогом кроссинговера является рекомбинация ДНК. О спектре изменчивости, обеспечиваемой Р., можно судить по следующему примеру. В нормальном хромосомном наборе человека 23 пары хромосом (см. Хромосомный набор). Если у индивида по каждой паре хромосом имеет место гетерозиготность хотя бы в одном локусе (в действительности степень гетерозиготности у человека гораздо выше), то только за счет независимого распределения негомологичных пар хромосом в мейозе такой индивид даст 223, т. е. ок. 10 млн., генетических вариантов гамет. Наличие кроссинговера по меньшей мере удвоит это число. Поскольку то же самое может иметь место у брачного партнера, да еще и с вовлечением Р. по другим генам, то потенциальное генетическое разнообразие потомков одной человеческой пары будет порядка нескольких миллиардов вариантов. Этот пример показывает также, что спектр ком-бинативной изменчивости особенно широк при половом размножении многохромосомных биол. видов, в т. ч. и человека, что практически обеспечивает генетическую уникальность каждого индивида.

У многоклеточных организмов, помимо мейотической Р., может иметь место и митотическая (соматическая) Р., в результате к-рой у гетерозиготных по каким-либо признакам особей возможно появление участков (пятен) ткани, образованных клонами клеток рекомбинантного генотипа, а сами особи становятся так наз. мозаиками (см. Мозаицизм). Чем раньше в онтогенезе произойдет соматическая Р., тем большая доля клеток тела будет иметь рекомбинантный тип. В первом делении дробления Р. может дать мозаика с равными количествами исходных и рекомбинантных клеток. Если митотическая Р. затрагивает не только соматические клетки, но и инициальные клетки гонад, говорят о гонадно-соматическом мозаицизме. В этом случае часть потомства может унаследовать рекомбинантное сочетание генов. Спонтанный уровень митотической Р. обычно очень низок, но может сильно повышаться под воздействием ионизирующего излучения и других мутагенов (см.).

Рекомбинация хромосом

Р. гомологичных хромосом в мейозе доказана Т. Морганом с сотр. при изучении случаев дефицита рекомбинантов в ди- и тригибридных скрещиваниях по отношению к числу ожидаемых рекомбинантов в соответствии с законом независимого комбинирования. Были установлены следующие количественные закономерности.

1. Частота Р. каждой данной пары сцепленно наследуемых генов постоянна и не зависит от их исходной комбинации. Напр., при генотипе дигибрида АВ/ab частота рекомбинантных гамет АЬ и аВ будет такой же, как частота рекомбинантных гамет АВ и ab.

2. Частота Р. разных пар сцепленно наследуемых генов различна и может составлять от малых долей процента почти до 50% (последнее соответствует ожидаемой частоте рекомбинантов при несцепленном, независимом наследовании).

3. При малой и средней частоте Р. (не более 20%) у тригибридов по сцепленно-наследуе-мым признакам наибольшее значение частоты Р. равно сумме двух других. Напр., у тригибрида АВС/аЬс, если частота Р. между А и В составляет 5%, а между В и С — 10%, частота Р. между А и С окажется равной 15%.

Рис. 1. Схематическое изображение рекомбинации гомологичных хромосом в мейозе у эукариотов: I- исходные хромосомы, условно обозначенные АВС и авс (пунктиром показано место будущего перекреста); II — перекрест; III — кроссоверные хромосомы Авс и аВС.

Эти закономерности лучше всего объясняются тем, что сцегшенно-наследуемые признаки определяются генами, расположенными в линейной последовательности в фиксированных локусах одной и той же пары гомологичных хромосом, а их Р. является результатом обмена участками между гомологами (рис. 1), причем, чем дальше друг от друга находятся два гена, тем больше вероятность их Р. Такой обмен участками двух гомологичных хромосом в мейозе получил название кроссинговера или перекреста хромосом, а его продукты — кроссоверных хромосом. Комплексное генетическое (по фенотипическим признакам) и цитологическое (по маркерным хромосомам) изучение Р. позволило доказать реальность существования и всеобщность процесса кроссинговера в мейозе у всех эукариотических организмов. В норме кроссинговер происходит в строго гомологичных точках пары хромосом так, что они обмениваются строго одинаковыми по генным последовательностям сегментами. Тот факт, что при этом не наблюдают потери изучаемых маркеров, позволил сделать вывод, что кроссинговер происходит между генами без нарушения их целостности. Относительное постоянство частоты кроссинговера на каждом данном участке хромосомы послужило основанием для избрания этой частоты в качестве меры расстояния между генами.

За единицу генетической длины хромосомы принимается ее отрезок, на к-ром частота мейотического кроссинговера равна 1%. Эту единицу называют морганидой, кроссоверной единицей или единицей карты. Последнее название связано с тем, что полные данные по Р. сцепленно-наследуемых генов позволяют построить линейные генетические карты хромосом, описывающие последовательность генов и генетические расстояния между ними (см. Хромосомная карта). По мере накопления данных о генетических расстояниях между маркерами всегда оказывалось, что число выявленных групп сцепления имеет своим верхним пределом число хромосом в гаплоидном наборе данного вида. Это является еще одним доводом в пользу того, что сцепленное наследование признаков есть проявление локализации контролирующих их генов на одной паре гомологичных хромосом.

Рис. 2. Схематическое изображение множественного кроссинговера: I — исходные хромосомы, условно обозначенные ABCDEFGH и abcdefgh (пунктиром показаны места будущего перекреста); АВ — ab, CD — cd, EF — ef и GH — gh. — гомологичные участки хромосом; II — перекрест; III — кроссоверные хромосомы: ABcdEFgh и abCDefGH.

Между генами, расположенными далеко друг от друга на одной хромосоме, может произойти несколько перекрестов (рис. 2). Продукты четного числа перекрестов будут неотличимы от исходных сочетаний. Поэтому для построения точных генетических карт прибегают к последовательному объединению относительно коротких участков хромосом, на к-рых множественные перекресты менее вероятны.

На оценку рекомбинационных расстояний между сцепленными генами влияет интерференция крос-синговера — изменение вероятности второго события кроссинговера на участке хромосомы, примыкающем к точке предыдущего перекреста в данном процессе мейоза. Мерой интерференции служит коэффициент коинциденции (совпадения) — отношение частоты реально наблюдаемых двойных перекрестов на участке хромосомы к их частоте, ожидаемой на этом участке в отсутствие интерференции, т. е. к произведению частот одинарных перекрестов. В отсутствие интерференции коэффициент коинциденции равен 1. Если случившийся кроссинговер препятствует осуществлению второго кроссинговера вблизи данного локуса той же пары хромосом в том же мейозе, то интерференцию называют положительной; в этом случае коэффициент коинциденции может иметь значения от нуля (абсолютная интерференция) до величин, близких к единице. Если первый кроссинговер повышает вероятность второго, что случается реже, то говорят об отрицательной интерференции (коэффициент коинциденции больше 1).

Расстояния между генами на генетических картах не строго пропорциональны физическим расстояниям между ними на хромосомах, но последовательность расположения генов в обоих случаях одна и та же. Это обусловлено неодинаковой частотой кроссинговера в разных участках хромосом. Напр., на околоцентро-мерных гетерохроматических участках хромосом кроссинговер обычно (но не у всех объектов) на одну единицу физической длины хромосомы случается реже, чем в эухроматиче-ских участках.

Мейотический кроссинговер, ведущий к формированию рекомбинантных гамет, обусловливает комбинативную генотипическую изменчивость (см.) и обеспечивает все внутривидовое генетическое разнообразие и формирование (но и распад) коадаптированных генных комплексов. Препятствовать рекомбинационному распаду уже возникших генных комплексов могут инверсии хромосом (см. Инверсия), особенно перекрывающиеся, широко распространенные у гетерозигот в природных популяциях нек-рых биологических видов.

Наряду с мейотическим возможен и митотический кроссинговер, происходящий в соматических клетках и ведущий к возникновению клонов рекомбинантных клеток, к-рые могут проявляться мозаициз-мом по соответствующим признакам. Мейотический кроссинговер происходит в профазе I мейоза, когда хромосомы представлены четырьмя хро-матидами, при этом рекомбинируют только две, как правило, несестринские, хроматиды. Собственно обмену генетического материала предшествует разрыв хроматид, хотя нельзя исключить и механизм обмена путем периодической смены матриц в процессе репликации ДНК хромосом (см.. Репликация).

Необходимой предпосылкой правильного (строго равного) кроссинговера является конъюгация хромосом (см.), при к-рой локусы хромосом точно «опознают» друг друга так, что в контакт вступают только строго гомологичные участки хромосом. На молекулярном уровне специфичность конъюгации хромосом в мейозе обеспечивается, по-видимохму, наличием в составе ДНК хромосом большого числа коротких (примерно по 100 нуклеотидов каждая) последовательностей так наз. зиготенной ДНК (зДНК), довольно равномерно и часто распределенных по всей длине всех хромосом. К стадии лепто-тены вся ДНК хромосом, кроме зДНК, удваивается и образует супер-спирализованные нити, соединенные с гистонами (см.), а зДНК вступает в контакт по всей длине двух конъюгирующих хромосом. В начале стадии зиготены появляется специфический белок, способный расплетать двойные спирали ДНК, не связанной с гистонами. Т. о., зДНК расплетается и с помощью водородных связей образует с зДНК гомологичной хромосомы гибридные двойные спирали — гетеродуплексы. Их образование происходит строго комплементарно, и они последовательно распространяются по длине конъюгирующих хромосом. Параллельно идет образование так наз. синапто-немного комплекса, к-рый состоит из двух продольных белковых тяжей и тонких поперечных белковых волокон. Этот комплекс обеспечивает фиксацию хромосом в положении гомологичной конъюгации и в то же время препятствует их необратимому слипанию. В зиготене гетеродуплексы зДНК распадаются, а сама зДНК реплицируется.

Инверсии хромосом, особенно множественные перекрывающиеся инверсии, препятствуют Р. хромосом, т. к. множественные различия в последовательностях генов обычной хромосомы и ее инвертированного гомолога не дают возможности инвертированным хромосомам специфически конъюгировать по всей длине. Хромосомы со множественными инверсиями получили название запирате-лей перекреста. Они широко используются в генетическом анализе, для предупреждения перестройки тестируемых хромосом.

Основными аномалиями Р. хромосом являются неравный кроссинговер и конверсия генов. Неравный кроссинговер возникает довольно редко и обычно приурочен к определенному локусу хромосому, где конъюгация, происходит не строго гомологично, а с нек-рым смещением. Причина такого смещения пока не ясна. В результате неравного кроссинговера одна кроссоверная хромосома несет удвоение (дупликацию) участка между точками разрыва гомологов, а в другой кроссоверной хромосоме происходит делеция этого участка. Хотя такие нарушения не всегда можно подтвердить цитологически, функционально они близки к микроскопически обна-ружимым случаям дупликаций (см.) и делеций (см.),, известны в мед. генетике как частичные трисомии и моносомии. В ряде случаев Такие аномалии хромосом могут быть причиной хромосомных болезней (см.). Существует также представление о том, что дупликация генов и участков хромосом с последующим независимым мутированиехм каждого из дубликатов служит важным механизмом эволюционного усложнения генетических систем. В процессе гаметогенеза у гетерозигот типа Аа хМожет происходить образование продуктов мейоза не в обычном соотношении 2А:2а, а в соотношении ЗА: 1а, хотя по соседним тесно сцепленным локусам соотношение 2:2 сохраняется. Такой феномен называют конверсией генов. Экспериментально конверсию генов удается наблюдать только у грибов. Существование и значение конверсии генов у других организмов почти не изучено.

Кроме обмена несестринскими хроматидами, характерного для мейотической и митотической Р., как в мейозе, так и в митозе могут происходить сестринские хроматидные обмены, обнаруживаемые только при дифференциальной идентификации (окраска, изотопная метка) сестринских хроматид.

Рекомбинация у бактерий

Процесс Р. у бактерий имеет нек-рые особенности, связанные со специфичностью их генетической организации, форм генетического обмена и функционирования систем генетической регуляции (см. Бактерии, генетика бактерий). Генетический материал бактериальной клетки представлен кольцевой молекулой ДНК, имеющей длину ок. 1000 мкм и конфигурацию суперспирали. Такая молекула способна к самокопированию — репликации (см.), функционируя при этом как самостоятельная единица (репликон) под контролем генетической системы регуляции. Кроме того, в клетках многих бактерий присутствуют дополнительные небольшие по размерам кольцевые молекулы ДНК — плазмиды (см.), эписомы (см.), способные к Р. При генетическом обмене между различными бактериями в реци-пиентную клетку обычно попадает лишь фрагмент хромосомы клетки-донора, что приводит к образованию частично диплоидных (меродиплоидных) зигот, тогда как плазмидные репликоны передаются полностью. После завершения переноса генетического материала в сформировавшихся меродиплоидных ре-ципиентных клетках (зиготах) начинается процесс рекомбинации, к-рый по своему механизму напоминает кроссинговер хроматид конъюгирующих гомологичных хромосом эукариотов. Однако при Р. у бактерий в этом процессе участвует, с одной стороны, кольцевая молекула ДНК бактерии-реципиента (эндогенный генетический материал) и, с другой стороны, переданный в эту бактерию экзогенный фрагмент молекулы ДНК донора. Процесс начинается с синапса, т. е. с формирования соединения между экзогенным фрагментом ДНК и определенным участком эндогенной кольцевой молекулы ДНК, с к-рым этот фрагмент имеет гомологичные участки. Предполагают, что именно в этих местах возникают перекресты двух взаимодействующих структур, вслед за к-рыми в местах перекрестов с определенной частотой происходит разрыв молекул и последующее «ошибочное» воссоединение их разорванных концов. Результатом этого является включение того или иного фрагмента (либо нескольких различных фрагментов) экзогенного генетического материала в структуру эндогенного кольцевого репликона реципиент-ной бактериальной клетки, что обеспечивает возможность дальнейшего копирования включенного фрагмента (фрагментов). Противоположный (реципрокный) эндогенный фрагмент ДНК клетки-реципиента при кроссинговере превращается в экзогенную внехромосомную структуру» теряет способность копироваться и поэтому утрачивается бактериальной клеткой при последующих ее делениях. В результате Р. такого типа, получившей название классической или общей рекомбинации, из меродиплоидной зиготы возникают дочерние гаплоидные клетки (рекомбинанты) с теми или иными сочетаниями аллельных генов родительских генетических структур.

Рис. 3. Схематическое изображение рекомбинации между плазмидой (эписомой) и бактериальной хромосомой, приводящей к переходу хромосомного гена в структуру плазмидного репликона: А, В, С, D — условное обозначение генов плазмиды; Аа и Вb — условные пары аллельных генов двух взаимодействующих структур; str — участок бактериальной хромосомы, содержащий ген устойчивости к стрептомицину. I — участок бактериальной хромосомы и кольцевая структура плазмиды до рекомбинации; II — момент рекомбинации между гомологичными участками, содержащими аллельные гены А и а, приводящей к интеграции плазмиды в структуру хромосомного репликона; III — плазмида, существующая как составная часть хромосомного репликона; IV —повторная рекомбинация, возникшая в участках гомологии аллельных генов В и b и приводящая к возвращению плазмиды в автономное состояние; V — кольцевая структура — плазмидный репликон, содержащий включившийся в него хромосомный ген str, и линейная структура — участок хромосомного репликона с делецией локуса str.
Рис. 4. Схематическое изображение рекомбинации, приводящей к коинтеграции двух плазмид и последующей диссоциации двойного репликона: I — две плазмиды, содержащие гены, условно обозначенные abe и АВС, II — момент взаимодействия плазмид; III — единый двойной репликон, образовавшийся в результате рекомбинации в гомологичных участках АВ и ab; IV — повторная рекомбинация в гомологичных участках ВС и bc, V — два автономных плазмидных репликона, каждый из к-рых содержит комбинацию генов двух исходных плазмидных структур.

Классическая Р. у бактерий возможна не только между каким-либо репликоном и егонереплицирующейся частью (фрагментом этого репликона), но и между двумя различными полноценными репликонами (хромосомой и плазмидой, хромосомой и бактериофагом, двумя плазмидами и т. д.), если в структуре их ДНК имеются гомологичные участки. В результате такой Р. может происходить обмен генетическим материалом между реагирующими репликонами или же объединение (коинтеграция) двух взаимодействующих репликонов путем разрывов и воссоединений молекул ДНК в местах взаимной гомологии с образованием одной более крупной двурепликонной системы, а плазмида, обладающая свойствами эписомы, может с определенной частотой включаться в состав хромосомного репликона в процессе Р. в гомологичных участках этих структур и длительное время реплицироваться как часть единого (двойного) репликона под контролем хромосомной репликативной системы. Однако у небольшой части бактериальных клеток популяции, содержащих двойной репликон, возникают повторные Р., приводящие к возвращению интегрированной плазмиды в автономное состояние. Если в повторную Р. вовлекается участок гомологии, к-рый при первичной Р. служил местом взаимодействия двух структур, то происходит относительно правильное «вырезание» плазмидного репликона из состава двойного репликона. В случаях, когда повторная Р. происходит в иных участках гомологии, возможно включение нек-рых из прилежащих хромосомных генов в состав плазмидного репликона, т. е. происходит формирование «замещенной» плазмиды (рис. 3). Тот же механизм, приводящий к коинтегра-ции двух репликонов и к обмену участками генетического материала при их последующей диссоциации, имеет место, вероятно, и в случае Р. двух различных плазмид, обладающих гомологичными участками ДНК (рис. 4), а также плазмид и нек-рых бактериофагов или бактериофагов и хромосом. Все этапы классической Р. у бактерий обеспечиваются соответствующими ферментами (так наз. Иес-ферментами), а этот тип Р. обозначают также как Кес-зависимая Р.

Наряду с классической, или общей Р. широкое распространение у бактерий имеет «незаконная» рекомбинация, для осуществления к-рой не требуется значительной гомологии ДНК взаимодействующих структур. В такой Р. участвуют небольшие фрагменты ДНК, получившие название транслоцирующихся элементов, к-рые способны с определенной частотой перемещаться из одного репликона в другой, мигрируя среди бактериальных хромосом, плазмид, бактериофагов и др. (см. Транслокация). Известны два типа таких элементов — IS-элементы (англ. insertion sequences вставочные последовательности) и транспозоны. IS-элементы представляют собой специфические фрагменты ДНК, содержащие, вероятно, лишь те гены, к-рые необходимы для Р. с негомологичными участками различных репликонов. Эта Р. приводит к интеграции таких генов в структуры этих репликонов или к «вырезанию» соответствующих участков из таких структур. Однако конкретные механизмы такой Р. остаются неясными. При интеграции IS-элементов и их «вырезании» могут возникать мутации различных генов, связанные с перестройками (делециями, инверсиями, дупликациями и др.) соответствующих участков молекулы ДНК. Транспозоны представляют более сложные структуры, содержащие обычно в своем составе IS-элементы, к-рые и обеспечивают их «незаконную» Р., и дополнительные гены, не связанные с функциями интеграции (гены лекарственной устойчивости бактерий и др.).

Классическая и «незаконная» Р. бактерий обеспечивают широкие возможности генетического обмена между различными репликонами и их частями, что определяет высокие темпы изменчивости и эволюции этих структур и бактериальных популяций в целом в условиях интенсивного применения различных антибактериальных веществ и воздействий (антибиотиков, солей тяжелых металлов, ультрафиолетового и ионизирующего излучений и т. д.). В случае классической Р., требующей значительной гомологии взаимодействующих структур, эти процессы наиболее эффективны при внутривидовом генетическом обмене, тогда как «незаконная» Р. играет важную роль в перераспределении генов не только в пределах отдельных видов, но и между бактериями различных видов и родов. Предполагают также, что в результате включения идентичных IS-элементов и транспозонов в негомологичные участки репликонов бактерий различных видов возникают так наз. горячие точки Р., т. е. районы взаимной гомологии этих репликонов, обеспечивающие последующую классическую Р. между ними в условиях как внутривидового, так и межвидового обмена генетическим материалом. В микробиологии процессы Р. используются для получения гибридных форм бактерий с измененными вирулентными, антигенными и другими свойствами. Разработаны также методы создания искусственных рекомбинантов молекул ДНК из фрагментов, полученных с помощью рестриктаз, составляющие основу современной генной инженерии. Т. о., могут быть сконструированы новые рекомбинантные репликоны (плазмиды, бактериофаги), в структуре к-рых содержатся гены, в т. ч. полученные от многоклеточных организмов, представляющие практический интерес (напр., гены, контролирующие синтез определенных гормонов, витаминов, аминокислот, антибиотиков и др.). После введения таких репликонов в подходящие бактериальные клетки эти клетки могут быть использованы в мед. промышленности и других областях микробиол. производства для получения соответствующих биологически активных веществ. В результате спонтанной Р. возникают также различные атипичные формы патогенных и условно-патогенных бактерий.

Частота Р. может значительно колебаться в зависимости от ряда факторов. При классической Р. процесс способен существенно нарушаться из-за низкой гомологии взаимодействующих молекул, а также при мутациях генов, контролирующих Р. Низкая степень гомологии ДНК хромосом у бактерий различных видов и родов служит основной причиной низкой частоты Р. этих структур при межвидовых и межродовых скрещиваниях. Однако повторное использование полученных рекомбинантов в скрещиваниях может повышать частоту Р. за счет возрастания такой гомологии. Мутации, вызывающие потерю функциональной активности генов, контролирующих Р., приводят бактериальную клетку к полной или частичной потере способности осуществлять классическую Р., а также снижают ее способность к репарации генетических повреждений (см.).На процессы Р. у бактерий существенно влияют и факторы окружающей среды (состав питательной среды, температура, ультрафиолетовое и ионизирующее излучение, различные хим. вещества и др.).

Для изучения Р. у бактерий пользуются радиобиологическими, электронно-микроскопическими и другими физ.-хим. методами исследования, а также методами генетического анализа (см.) бактерий. Различные методы определения частоты Р. сцепленных генов лежат в основе генетического картирования бактерий.

Рекомбинация вирусов — см. Вирусы.




Библиография: Брее л ер С. Е. Молекулярная биология, с. 305, JI., 1973, библиогр.; Гершензон С. М. Основы современной генетики, с. 93, Киев, 1979; К у ш е в В. В. Механизмы генетической рекомбинации, Л., 1971, библиогр.; М е fi-не л л Г. Бактериальные плазмиды, пер. с англ., с. 33 и др., М., 1976, библиогр.; Рекомбинантные молекулы, под ред. Р. Бирса и Э. Бэсита, пер. с англ., М., 1980, библиогр.; Физиологическая генетика, под ред. М. Е. Лобашева и С. Г. Инге-Вечтомова, с. 129 и др., Л.„ 1976, библиогр.; Хэйс У. Генетика бактерий и бактериофагов, пер. с англ., с. 257, 476 и др., М., 1965; Цитология и генетика мейоза, под ред. В. В. Хвостовой и Ю. Ф. Богданова, М., 1975.



Популярные статьи

Источник: Большая Медицинская Энциклопедия (БМЭ), под редакцией Петровского Б.В., 3-е издание

Поделиться: