Генетична рекомбінація.

Генетична рекомбінація або просто рекомбінація — процес, у якому ланцюжок ДНК розривається, а потім його фрагменти об'єднуються в іншому порядку.

У вищих організмів рекомбінація здійснюється при незалежному розходженні хромосом під час процесу мейоза, або при обмінні ділянками гомологічних (парних) хромосом-кросинговері. Цей процес приводить до утворення геномів потомків, що мають різні комбінації генів своїх батьків, і можуть мати нові химерні аллелі. У еволюційній біології вважається, що така перестановка генів надає організму багато переваг, зокрема можливість уникнення храповика Мюллера.

Існують і приклади негомологічної рекомбінації. Найпоширеніший приклад — негомологічне з'єднання кінців (NHEJ, від англ. non-homologous end joining), що відбувається під час репарації дволанцюжкових розривів ДНК.

У молекулярній біології термін «рекомбінація» може також послатися на штучну і навмисну рекомбінацію певних ділянок ДНК, часто отриманих із різних організмів, створюючи так завну рекомбінантну ДНК.

Процеси рекомбінації в природі каталізуються ферментами-рекомбіназами. RECA, рекомбіназа бактерії E. coli, відповідає за репарацію подвійних розривів ДНК. У дріжджах і інших еукарічних організмах для відновлення дволанцюжкових розривів потрібні дві рекомбінази. Білок RAD51 потрібний як для мітотичної рекомбінації, так і для мейотичної, тоді як білок DMC1 специфічний до мейотичної рекомбінації.

Молекулярний механізм гомологічної рекомбінації.

Гомологі́чна рекомбіна́ція — поширений тип генетичної рекомбінації, процес фізичної перестановки фрагментів між двома ланцюжками ДНК. Гомологічна рекомбінація залучає гібридизацію гомологічних послідовностей, кросинговер між цими ланцюжками ДНК, розрив і репарацію ДНК. Вона відбувається в природі під час статевого розмноження всіх організмів, що розмножуються статевим шляхом. Крім того, гомологічна рекомбінація використовується в молекулярній біології для навмисного внесення змін в організм.

Структура Холідея.

Структура Холідея — рухоме з'єднання між чотирма ланцюжками ДНК. Названа на честь Робіна Холідея, який запропонував її в 1964 році, досліджуючи обмін генетичної інформації в дріжджах (хоча структура існує практично у всіх еукаріотів) під час гомологічної рекомбінації.

Формування структури Холлідея .

1 . Після реплікації ДНК і, отже , подвоєння хромосом , в ранній профазі мейозу спостерігається попарне зближення сестринських хроматид гомологічних хромосом з утворенням бівалентов (тобто кон'югація ) .

2 . У кожній молекулі ДНК на двох зближених гомологічних ділянках несестрінскіх хроматид фермент ніказа робить симетричні одноланцюгові розрізи .

3 . Вільні кінці ланцюгів близько розривів відокремлюються від комплементарних партнерів і перекидаються на проломи , що утворилися в гомологічних молекулах ДНК.

4 . Кінці перекинутих ланцюгів лігуються з кінцями ланцюгів реципієнтних молекул ДНК , при цьому утворюється хрестоподібна структура Холлідея з гібридним районом , гетеродуплексом . Таким чином , дві претерпевшие рекомбінацію хроматиди складаються в області кінцевих відділів з ​​батьківських ланцюгів ДНК , а в середині - з ділянок , отриманих від протилежних батьківських молекул.

5 . Центр структури Холлідея , що складається з двох полухіазм , може перемішатися уздовж спарених ланцюгів ДНК подібно замку застібки «блискавка» , розмикаючи водневі зв'язки між комплементарними підставами всередині однієї батьківської молекули ДНК і замикаючи відповідні зв'язки між основами ланцюгів з двох різних молекул ДНК. У результаті такої міграції полухіазм в обох батьківських молекулах ДНК можуть утворюватися протяжні гетеродугшексние ділянки ( у дріжджів зона гібридної ДНК досягає 1000 П.Н ) .

6 . Структура Холлідея , що складається з двох пар ланцюгів (одна пара пересічних , інша - непересічних ) , спонтанно і під контролем може піддаватися ізомеризації . Щоб відновити біспіральні структуру обох молекул ДНК і таким чином закінчити процес їх кон'югації , пересічні ланцюги повинні бути розрізані . Ще одна ізомеризація з поворотом однієї з полухіазм навколо точки перехрещення на 180 ° призводить до утворення другого ізомерної форми структури Холлідея .

7 . При розрізуванні отриманого ізомеру по горизонтальній осі (у ланцюгах , що зазнали обмін) дві утворилися молекули ДНК не є рекомбінантними по батьківським маркерами (АВ і ab ) , фланкирующим область перехрещення , але обидві містять по гетеродуплексному ділянці.

8 . При розрізуванні по вертикальній осі (у інтактних ланцюгах ) утворилися лінійні молекули рекомбінантного по батьківським генетичними маркерами , розташованим по обидва боки від гетеродуплексного ділянки ДНК. Етапи 7 і 8 завершуються лігуванням решт фрагментів , складових рекомбінантні і нерекомбінантні молекули. Інтенсивне вивчення рекомбінації у бактерій зробило більш зрозумілою молекулярну організацію деяких її етапів. Встановлено , що гомологичная рекомбінація у E.coli контролюється генами rec А , В, С і D. Ідентифіковано ферменти , які є білковими продуктами цих генів. Довгий час вважали, що ключову роль у забезпеченні всіх процесів загальної рекомбінації у Є. coli відіграє білок RecA . По-перше , він бере участь у розплітання подвійної спіралі , сприяючи кон'югації молекул ДНК , стабілізації вільних кінців і взаємодії рекомбінуючих комплементарних ланцюгів . По-друге , білок RecA каталізує переорієнтацію ланцюгів з утворенням структури Холлідея та подальшої міграцією полухіазм . Цілком імовірно , що білок RecA в умовах його підвищеної продукції безпосередньо бере участь у репарації , направляючи рекомбінацію між пошкодженими і неушкодженими ділянками молекул ДНК. Накопичені експериментальні дані дозволяють зробити висновок , що проміжним етапом рекомбінації у Є. coli також є формування і дозвіл структур Холлідея . Таким чином , модель , спочатку запропонована для пояснення молекулярного механізму рекомбінації у еукаріотів , здавалася застосовувану і до прокаріотів . Це дозволяє припускати значну схожість процесів рекомбінації у тих і у інших. Дійсно , у дріжджів виявляються гени , подібні з rec А.

Функції генів rec В, rec С і rec D стали прояснюватися лише в останні роки . В даний час відомо , що продукти саме цих генів відіграють провідну роль у формуванні вільних кінців , тобто саме вони опосередковують початковий етап рекомбінації . При цьому кожна з трьох субодиниць комплексу функціонує високо специфічно. Про це свідчить той факт , що мутанти rec В, rec С і rec D мають різні властивості : у штамів rec В і rec С різко знижена частота рекомбінації і підвищена чутливість до ДНК - ушкоджувальним агентам . Крім того вони характеризуються низькою виживанням . Все це свідчить про їх нездатності репарирувати пошкодження ДНК шляхом гомологичной рекомбінації . Мутанти recD по виживаності не відрізняються від штамів дикого типу , отже , рекомбінаційний шлях репарації у них не порушений.

У бактерій отримано багато мутантів , нездатних до рекомбінації , та ідентифіковано 10-20 відповідних локусів . Очевидно , навіть у прокаріот рекомбінація представлена ​​різними системами , які контролюються специфічними генами і функціонують в певних умовах. Однак , у всіх випадках , чи йде мова про традиційну рекомбінації , пов'язаної з кон'югацією бактерій , або про рекомбінації , що ініціюється ушкодженнями ДНК (як у випадку пострепликативной репарації ) , або про рекомбінації з фагів геномом , необхідними передумовами рекомбінації є три моменти. Це - освіта одноланцюжкові ділянки , освіта вільного З' - кінця , а , крім того , одноцепочной ділянку і вільний 3'- кінець повинні бути в області гомології одноцепочечной і двухцепочечной днк.