Механизмы рекомбинации генов (независимого наследования). Значение этих процессов

Сайт-специфическая рекомбинация впервые была описана для бактериофага лямбда. Именно с ее помощью происходит включение этого фага в хромосому Е. coli и его исключение из нее. В интегрированном состоянии бактериофаг лямбда реплицируется как составная часть ДНК клетки-хозяина.

 

Рис. 12. Сайт-специфическая рекомбинация, посредством которой ДНК бактериофага λ внедряется в хромосому клетки-хозяина (Е. соli). Особые участки (сайты), которые узнает интеграза (серый круг), представляют собой определенные нуклеотидные последовательности ДНК. Здесь их символизируют красные прямоугольники.

 

 

 

 

Когда фаговая частица  проникает в клетку, в этой клетке синтезируется фермент лямбда-интеграза, кодируемый одним из фаговых генов. Этот фермент катализирует процесс рекомбинации, начинающийся с того, что многие копии интегразного белка прочно связываются с особыми нуклеотидными последовательностями на кольцевой хромосоме бактериофага. Возникший таким путем ДНК-белковый комплекс присоединяется теперь к другой специфической последовательности ДНК, на этот раз на хромосоме бактерии, тесно сближая, таким образом, хромосомы бактерии и бактериофага (рис. 12). Сведя их вместе, интеграза катализирует необходимые реакции разрыва и сшивания ДНК; при этом короткий участок, на котором нуклеотидные последовательности гомологичны, используется для образования в точке соприкосновения небольшого ступенчатого соединения (рис. 13, A). Интеграза обладает ДНК-топоизомеразной активностью, однако отдельные этапы рекомбинации следуют друг за другом столь быстро, что уловить какие-либо промежуточные формы ДНК, которые, по-видимому, все же образуются, не представляется возможным.

Механизм сайт-специфической  рекомбинации обеспечивает и исключение фага из бактериальной хромосомы, после  чего начинается его быстрое размножение в бактериальной клетке. Реакция исключения катализируется комплексом, в состав которого входит помимо интегразы еще один белок бактериофага, который этот вирус начинает продуцировать лишь в том случае, если клетка-хозяин подвергается стрессу.

Многие другие ферменты, катализирующие сайт-специфическую рекомбинацию, сходны с лямбда-интегразой в том отношении, что им также необходим короткий участок гомологии в двух отрезках ДНК, подлежащих соединению. Данное требование предполагает довольно высокую избирательность каждого из этих ферментов в отношении рекомбинируемых последовательностей ДНК.

В другом классе ферментов, осуществляющих сайт-специфическую  рекомбинацию, эта избирательность  выражена не столь сильно.

Подобно лямбда-интегразе, каждый из этих ферментов узнает специфическую  последовательность ДНК в том мобильном генетическом элементе, рекомбинацию которого он катализирует. Отличает же эти ферменты от лямбда-интегразы то обстоятельство, что им не требуется специфической последовательности-мишени, а также то, что они не образуют ступенчатого (гетеродуплексного) соединения. Вместо этого под их воздействием в ДНК-мишени возникает ступенчатый (зигзагообразный) разрыв и появляются свободные концы цепей ДНК, которые затем ковалентно связываются со специфической последовательностью ДНК мобильного генетического элемента (рис. 13, Б). Благодаря этому весь мобильный элемент оказывается включенным в молекулу ДНК-мишени. По обе стороны от включившегося мобильного элемента в рекомбинантной молекуле ДНК остаются короткие одноцепочечные участки, которые достраиваются ДНК-полимеразой, завершающей процесс рекомбинации. Как ясно из рис. 7, Б, при этом по обе стороны от включившегося элемента появляются две короткие идентичные нуклеотидные последовательности; по всей вероятности, ферменты сайт-специфической рекомбинации узнают именно эти примыкающие к мобильному элементу идентичные последовательности.

 

 

Рис. 13. Два механизма, используемых разными классами ферментов сайт-специфической рекомбинации. В обоих случаях специфичный фермент (показан серым) связывается с особой нуклеотидной последовательностью в хромосоме мобильного генетического элемента (отмечена штриховкой) и удерживает эту последовательность в тесном контакте с определенным участком хромосомы-мишени. А. Фермент делает ступенчатый разрез по обе стороны очень короткой гомологичной последовательности на обеих хромосомах (12 нуклеотидов в случае лямбда-интегразы), а затем соединяет цепи партнеров коротким ступенчатым соединением. Б. Фермент делает ступенчатый разрез в хромосоме-мишени и присоединяет выступающие ее концы к ровно срезанным концам мобильного элемента. В этом случае по обе стороны включившегося элемента появляются две короткие идентичные нуклеотидные последовательности - дупликации соответствующего участка ДНК-мишени (от 3 до 12 нуклеотидов, в зависимости от фермента).

 

 

 

 

 

 

Один из таких неизбирательно действующих ферментов был выделен в активной форме из бактериофага Ми. Подобно ДНК-топоизомеразе он способен катализировать все реакции разрыва и воссоединения без какого бы то ни было источника энергии (например, АТР). Данный фермент принадлежит одному из бактериофагов, однако есть все основания полагать, что подобные ферменты имеются и у других организмов, таких, например, как бактерии, плодовая мушка или человек. Предположение это вытекает из того, что мобильные генетические элементы у всех этих организмов сходны.

 

                                               

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Механизмы генетической рекомбинации обеспечивают возможность  перемещения из хромосомы в хромосому больших фрагментов ДНК. Выработавшиеся для этого в процессе эволюции последовательности реакций таковы, что две спирали ДНК, разрываясь и воссоединяясь вновь, претерпевают минимальное повреждение, так что легко происходит восстановление двух целых хромосом. Существует два класса рекомбинационных событий. При общей рекомбинации начальные реакции зависят от комплементарных взаимодействий, происходящих на обширных участках между цепями двух двойных спиралей ДНК, вовлекаемых в рекомбинацию. Общая рекомбинация может происходить лишь между двумя гомологичными молекулами ДНК; хотя хромосомы при этом обмениваются генами, общая последовательность расположения генов в хромосоме не нарушается. При этом распадаются существовавшие ранее группы сцепления и возникают новые, с разными случайными комбинациями аллелей. Этот процесс, называемый независимым распределением, лежит в основе второго закона Менделя. Общая рекомбинация в дальнейшем ведет к изменениям в генотипе и фенотипе будущего потомства (полиморфизм), благодаря чему организмы  более успешно адаптируются к изменяющимся условиям внешней среды, либо, при неудачной комбинации, погибают (элиминация), не оставляя потомства. Выживание вида в целом связано с появлением новых, более приспособленных генетических вариантов, а оно в значительной мере облегчается перегруппировкой генов и случайным перераспределением последовательностей ДНК в результате генетической рекомбинации.

     При сайт-специфической рекомбинации реакции спаривания зависят от узнавания (посредством специального белка) двух нуклеотидных последовательностей, которым предстоит рекомбинировать; сколько-нибудь заметной гомологии при этом не требуется. Сайт-специфическая рекомбинация обычно изменяет относительное расположение нуклеотидных последовательностей в хромосомах. Изучение механизмов сайт-специфических рекомбинаций позволило более подробно изучить группу элементов, которые используют генетические механизмы клетки для своих собственных нужд, т.е. ведут себя как паразиты (вирусы, плазмиды, транспозоны). Хотя и вирусы, и транспозоны могут рассматриваться как паразиты, они полезны тем, что вызываемые ими перестройки нуклеотидных последовательностей ДНК нередко играют важную роль в эволюции клеток и организмов. Разрабатываются новые способы защиты от вирусных инфекций  (грипп, везикулярный стоматит, полиомиелит и др.).

   

                                   

                                         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

 

1. Гуттман Б., Гриффите Э., Сузуки Д., Куллис Т. Генетика / Б. Гуттман, Э. Гриффите, Д. Сузуки, Т. Куллис.  Пер. с англ. О. Перфильева. М.: ФАИР-ПРЕСС, 2004, 448 с.
2. Глик Б., Пастернак Дж.  Молекулярная биотехнология. Принципы и применение / Б. Глик, Дж. Пастернак. М.: Мир, 2002.

 

3. Жигулев И.Ф. Общая молекулярная генетика: учебное пособие для вузов. / Под ред. Е.С.Беляева, А.Г.Акифьева. 3-е изд., исп. Новосибирск, Сиб.унив. изд-во, 2006, 479 с.
4. Инге-Вечтомов С.Г. Генетика с основами селекции: учебник для студентов высших учебных заведений./ 2-е изд., перераб. и доп. СПб.: Изд-во Н-Л, 2010, 720 с.
5. Петухов В.Л. Медицинская генетика: учебник для студентов высших учебных заведений. Новосибирск, Сиб. унив. изд-во, 2000, 469 с.
6. Патрушев Л. И. Искусственные генетические системы. — М.: Наука, 2004.

 

7. Щипков В.П.,Кривошеина Г.Н. Общая и медицинская генетика: Учебн.пособие для студ.высш.мед.учебн.заведений М.:Издат.центр «Академия», 2003.
8. Щелкунов С. Н. Генетическая инженерия. — Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2008.

 

9. http://6years.net/index.php?do=static&page=kgenetica