Гомологичная рекомбинация I

Гомологичная рекомбинация, известная своей ролью в генетическом разнообразии во время формирования гамет, также имеет решающее значение для восстановления двухцепочечных разрывов (DSBs) в соматических клетках. В отличие от механизмов репарации одноцепочечных разрывов, таких как удаление оснований или нуклеотидов, которые основаны на матричной цепи, гомологичная рекомбинация устраняет DSB, вызванные ферментами или химическими веществами. Он играет жизненно важную роль, такую как перезапуск остановленных ответвлений репликации и поддержание теломер при отсутствии теломеразы, чтобы предотвратить трансформацию клеток в рак.

Основы роли гомологичной рекомбинации в генетическом разнообразии заложены в менделевской генетике. Грегор Мендель, отец генетики, продемонстрировал, как такие признаки, как цвет цветка, наследуются независимо друг от друга с помощью различных генов — физических участков ДНК, передаваемых от одного поколения к другому. Хотя некоторые виды наследования происходят по этой простой схеме, более поздние исследования показали, что генетическая передача является более сложной, чем предполагалось изначально.

Гены, расположенные близко друг к другу на хромосоме, известные как сцепленные гены, часто наследуются вместе. Без кроссинговера во время мейоза эти гены остаются неизменными и следуют менделевским схемам наследования. Однако генетическая рекомбинация происходит, когда хромосомы обмениваются сегментами ДНК посредством кроссинговера. Этот процесс чаще происходит между близко расположенными генами, чем между генами, расположенными дальше друг от друга в одной и той же хромосоме.

Генная конверсия включает в себя замену одной аллели на другую, часто связанную с кроссинговером во время митоза. Этот процесс начинается с того, что две хромосомы подвергаются скрещиванию вблизи местоположения аллели, что приводит к точечной мутации, которая преобразует рецессивную аллель в ее доминантную форму. Результатом является неправильная сегрегация аллелей в гаметах — три доминантных и один рецессивный вместо ожидаемых двух в каждой — вызванная несоответствием пар оснований, связанным с этим генетическим обменом.

Модель Холлидея объясняет, как происходит кроссинговер между гомологичными хромосомами, фокусируясь на участках ДНК, а не на целых наборах хромосом. Гомологичные хромосомы содержат идентичные гены в том же порядке, но могут отличаться по аллелям (доминантным или рецессивным). Процесс начинается с эндонуклеазного разреза в определенных точках на обеих нитях, создающего гомо-дуплекс, в котором пары оснований совпадают, за исключением незначительных различий, таких как пары T-A и G-C. Эта модель обеспечивает фундаментальное понимание для последующей идентификации вовлеченных белков и поддерживает геномные исследования, такие как картирование генов, ассоциированных с необычными заболеваниями.

Обмен цепочками происходит из-за сходства последовательностей, что позволяет сопоставлять пары оснований. В результате этого процесса образуется соединение Холлидея, в котором генетический материал обменивается посредством образования фосфодиэфирной связи лигазой после начальных разрывов в цепочках ДНК. Затем происходит миграция ветвей, приводящая к образованию гетеродуплексной ДНК с небольшими несоответствиями пар оснований между доминантными и рецессивными генами. Эти несоответствия способствуют генетическому разнообразию, поскольку их можно восстанавливать или поддерживать.

Процесс изомеризации включает в себя изменение структуры ДНК, что приводит к образованию крестообразной конфигурации, известной как соединение Холидея. В этом сложном устройстве четыре нити ДНК переплетаются с помощью двух основных нитей. Механизм разрешения определяет, как эти переплетенные структуры разделяются, обеспечивая критическое понимание генетической рекомбинации и гетеродуплексных областей.

Механизмы модели Холидея при рекомбинации Рекомбинация включает в себя перекрестные процессы, при которых эндонуклеазы разрезают нити ДНК либо с севера на юг, либо с востока на запад. Разрезы с севера на юг приводят к сращиванию или кроссинговеру, изменяя расположение доминантных и рецессивных генов в хромосомах. Разрезы между Востоком и западом не приводят к пересечению, а создают гетеродуплексные участки ДНК. Главное - понять, что эти процессы происходят в результате определенных шагов, а не почему они происходят.

Модель Мезельсона-Раддинга и ее ограничения Эта модель рекомбинации начинается с одноцепочечного повреждения, вызванного эндонуклеазой на одной хромосоме, что приводит к смещению цепи, чему способствует белок WRE-A из систем реагирования SOS. Когда эта смещенная цепь вторгается в цепь другой хромосомы, образуется D-образная петля; она подвергается расщеплению, прежде чем быть перевязанной через промежуточное соединение для разрешения с помощью горизонтальных (не пересекающихся) или вертикальных (кроссинговерных) путей, включающих, при необходимости, миграцию ветвей. Однако ни эта, ни модель Холидея адекватно не объясняют гомологичную рекомбинацию, фиксирующую разрывы двухцепочечной ДНК.

Модель восстановления при двухцепочечном разрыве начинается с разрыва в одной хромосоме, в отличие от механизмов, основанных на Nick, которые наблюдаются в других моделях. Этот процесс использует гомологичную рекомбинацию для устранения повреждения, как это наблюдается в дрожжевых плазмидах. Разорванная ДНК подвергается резекции, чтобы создать два 3'-выступа; эти концы не перекрываются и имеют решающее значение для последующих этапов. Один одноцепочечный конец проникает в гомологичную последовательность, образуя d-петлю, которая удлиняется ДНК-полимеразой с использованием неповрежденной матричной цепи. Второе событие захвата выравнивает еще один 3-футовый выступ с его дополнительной последовательностью в исходной структуре, что приводит к двум переходам, которые приводят либо к перекрестным, либо к непересекающимся результатам.