Понятие рекомбинаций



Дата14.10.2018
өлшемі227.71 Kb.
Понятие рекомбинаций

Рекомбинация - процесс обмена генетическим материалом путем разрыва и соединения разных молекул. Рекомбинация происходит при репарации двунитевых разрывов в ДНК и для продолжения репликации в случае остановки репликационной вилки у эукариот, бактерий и архей. У вирусов возможна рекомбинация между молекулами РНК их геномов.

Рекомбинация у эукариот обычно происходит в ходе кроссинговера в процессе мейоза, в частности, при формировании сперматозоидов и яйцеклеток у животных. Рекомбинация, наряду с репликацией ДНК, транскрипцией РНК и трансляцией белков, относится к фундаментальным, рано возникшим в процессе эволюции, процессам.

Изучение генетического материала на молекулярном уровне привело к выводу, что рекомбинация сцепленных генов представляет собой взаимодействие между гомологичными молекулами ДНК, конечным результатом которого является формирование структуры, построенной из частей каждого родительского гомолога. Представления о молекулярных механизмах генетической рекомбинации отражены в моделях «копирующего выбора» (copying-choice) и «разрыва-воссоединения» (breake-reunion).

Этот процесс был открыт в начале XX в. на основе анализа результатов скрещиваний. Сейчас в изучении рекомбинации используют весь арсенал современных методов молекулярной и клеточной биологии. И тем не менее процесс остается во многом загадочным. До сих пор идут бурные дебаты о том, зачем нужна рекомбинация. Непонятно, отчего она так сложно и, казалось бы, нелогично организована. Неясно, как распределяются по геному ее горячие и холодные точки. Попытаемся ответить на эти вопросы, рассмотрев рекомбинацию в свете эволюции.

Модель «копирующего выбора» была сформулирована еще в 1931 г. и в первоначальном варианте сводилась к допущению связи между репликацией и рекомбинацией генов. В последующем на основе этой модели стали считать, что рекомбинантные молекулы ДНК не содержат нуклеотидов, происходящих от ДНК родителей, они формируются заново, причем таким образом, что после спаривания гомологичных хромосом в качестве шаблона вначале используется ДНК одного родителя, затем в качестве шаблона - ДНК другого родителя. Следовательно, после репликации рекомбинантные цепи ДНК представляют собой по существу реплики определенного района одной родительской цепи и реплики определенного района другой родительской цепи ДНК.

Модель «разрыв-воссоединение» окончательно была сформулирована почти тогда же, но ее содержание определилось благодаря данным о месте и времени осуществления кроссинговера, т. е. о поведении гомологичных .хромосом при мейозе. В соответствии с этой моделью на молекулярном уровне рекомбинантная молекула ДНК строится прямым образом из сегментов родительских ДНК, причем ее построение осуществляется в результате разрыва цепей рекомбинирующих родительских молекул ДНК и последующего воссоединения образующихся сегментов двухцепочечных молекул ДНК.

Изучение рекомбинаций – главная проблема генетики и вместе с тем основной метод, которым пользуются при построении генетических карт. Вот почему особенно парадоксально, что механизм этого явления до сих пор почти не изучен. Даже новейшие достижения молекулярной биологии не смогли до конца вскрыть его.

Почти четверть века назад Дарлингтон разработал свою теорию обмена наследственным веществом при гибридизации. Она была основана на поведении хромосом в мейозе: закручивание двух хроматид вокруг друг друга приводит к их чрезмерному натяжению, в результате они рвутся в точке наибольшего напряжения подобно тому, как рвутся пряди нитей в сильно перекрученном канате. Как только произошел разрыв, вызвавшие его силы ослабевают и концы разорванных нитей наследственного вещества воссоединяются. Но далеко не всегда нить соединяется со своей оторванной частью. И это понятно: после разрыва нити перемещаются, их положение меняется. Вот почему чаще всего оторванный кусок присоединяется к куску от другой хромосомы крест-накрест по месту разрыва -так образуются две рекомбинантные хромосомы. Этот механизм назвали разрывом и воссоединением, а сам процесс – кроссинговером.

Но разрыв и воссоединение в процессе кроссинговера – не единственное условие создания гибридных хромосом. Еще до Дарлингтона в 1931 году ученый Беллинг связал процесс рекомбинации с самим актом дубликации, удвоения хромосомы.

Каждая из моделей имеет фактическое обоснования, но модель «копирующего выбора» не совсем согласуется с моделью строения и консервативной репликации ДНК. Напротив, модель рекомбинации «разрыв-воссоединение» согласуется с представлениями о полуконсервативной репликация ДНК. Рекомбинация молекул ДНК состоит из ряда последовательных стадий в виде разрыва, синтеза и воссоединения родительских тяжей, причем известны данные, позволяющие предполагать полярный характер рекомбинации в пределах малых районов хромосом (поляронов), равных по длине одному или нескольким генным локусам.

На основе этого предполагают, что хромосома разделена на несколько сегментов (поляронов), концы которых (любой из двух) определяют начало разделения полинуклеотидных цепей ДНК. Разделение исходных молекул, предшествуя синтезу и формированию гибридных молекул ДНК, может происходить как в одном направлении, т. е- брать начало от одного конца полярона, так и в двух направлениях (с обоих концов полярона). Больше того, предполагают даже, что рекомбинация очень сходна по своему механизму с процессом транскрипции генетической информации (образования мРНК) в смысле определения конца гена, с которого начинается разделение ДНК, и что в рекомбинации также работает ген-оператор, сходный с оператором оперона.

Анализ всех известных генотипических различий в генетической рекомбинации у организмов-эукариотов свидетельствует о том, что они обусловлены инбридингом, межвидовыми скрещиваниями, видовыми, популяционными и индивидуальными особенностями. Видовые, индивидуальные и другие особенности касаются уровня рекомбинации. Известны также специфические гены, мутации которых поражают способность к рекомбинации. Они гены у эукариот влияют на спаривание хромосом в мейозе, вследствие чего последние теряют способность к формированию пар в первой профазе мейоза, или на формирование хиазм. У бактерий известно несколько генов гес, продукты которых контролируют генетическую рекомбинацию бактерий. У фагов также обнаружены генетические системы, контролирующие их рекомбинацию. В совокупности все эти данные свидетельствуют о подверженности рекомбинаций генетическому контролю.

Генетические рекомбинации детерминируют рекомбинативную (комбинативную) изменчивость организмов.



Кроссинговер

Кроссинговер (другое название в биологии перекрёст) - явление обмена участками гомологичных хромосом во время конъюгации при мейозе. Помимо мейотического описан также митотический кроссинговер.

Поскольку кроссинговер вносит возмущения в картину сцепленного наследования, его удалось использовать для картирования «групп сцепления» (хромосом). Возможность картирования была основана на предположении о том, что, чем чаще наблюдается кроссинговер между двумя генами, тем дальше друг от друга расположены эти гены в группе сцепления и тем чаще будут наблюдаться отклонения от сцепленного наследования. Первые карты хромосом были построены в 1913 г. для классического экспериментального объекта плодовой мушки Drosophila melanogaster Альфредом Стёртевантом, учеником и сотрудником Томаса Ханта Моргана.

Рекомбинации и изменчивость генома

Главный фактор непостоянства генома - процессы генетической рекомбинации, "законные" и "незаконные" ( Хесин, 1984 ). Их роль не сводится к тривиальному перемешиванию мутантных аллелей разных генов, возникших ранее в результате мутирования вне собственно рекомбиногенеза. В последние годы на очень обширном экспериментальном материале вскрыто принципиальное значение рекомбинационных событий не только в генерировании действительно новой наследственной изменчивости (а значит, и эволюции), но и в онтогенезе. Приведем примеры того и другого.

I. Незаконная рекомбинация обеспечивается "необязательным" компонентом генома - МГЭ: инсертосомами (Is) и транспозонами (Tn) бактерий, мобильными диспергированными генами (МДГ) дрозофилы, блуждающими элементами у дрожжей, контролирующими элементами кукурузы, проретровирусами позвоночных и т.п. Их доля в геноме может быть очень внушительной; например, основным компонентом класса умеренно повторяющейся ДНК у дрозофилы являются семейства МДГ, которые в сумме насчитывают до 20% всего генома ( Jelinec, Schmidt, 1982 ; Хесин, 1984 ). В геноме приматов и человека больше половины всех дисперсных коротких (порядка 300 п.н.) повторов (больше 500 тыс. копий, т.е. около 6% генома) приходится на Alu- последовательности, которые, по-видимому, являются дисперсными вариантами псевдогенов, возникших из процессированных РНК с помощью обратной транскриптазы ( Sharp, 1983 ).

Отличительное свойство МГЭ - способность к автономной репликации, независимо от плазмиды или хромосомы, в которой они локализованы. Механизмы репликации могут быть различны, но результат почти всегда один и тот же: новые копии МГЭ появляются в других сайтах генома без утраты родительского экземпляра. Однако для многих МГЭ, в отличие от репликативной транспозиции in vitro (в культуре клеток), in vivo этот процесс не приводит к их безудерному "эгоистичному" размножению, а находится под жестким контролем.

Так, к представителям почти бескомпромиссного молекулярного паразитизма принято относить мобильный P-элемент Drosophila melanogaster ( Snyder, Doolitle, 1988 ). Его геном насчитывает всего 2907 п.н. и содержит единственный ген, состоящий из четырех экзонов, трех интронов и двух фланкирующих последовательностей с 5'- и 3'-концов ( рис. 3 ). Транскрипция, сплайсинг интронов, процессинг фланкирующих участков и последующая трансляция дают в итоге активную форму фермента транспозазы длиной в 751 аминокислотный остаток. Транспозаза, связываясь с ДНК P-элемента в области инвертированных терминальных повторов длиной в 31 п.н., и катализирует "эгоистичную" репликацию элемента. Однако нормальный сплайсинг третьего интрона, необходимый для синтеза полноценной транспозазы, происходит лишь в герминативных клетках. В соматических тканях этот процесс блокирован, и в результате с P-элемента в геноме дрозофилы считывается усеченный белок длиной в 576 аминокислотных остатков, которые образуются из продуктов первых трех экзонов и добавочного короткого (15 аминокислотных остатков) полипептида, кодируемого начальным сегментом третьего интрона до первого стоп-кодона. Соматические транспозиции наблюдаются только тогда, когда третий интрон делетирован точно по концам (например, путем мутагенеза in vitro), так что все четыре экзона транслируются в данном случае без искажений, в одной рамке считывания.

Если скрестить при 290С самцов дрозофилы, имеющих активный P-элемент ("P-самцов"), с самками без него ("М-самками"), то потомство окажется полностью стерильным. При более низких температурах часть потомства от таких же скрещиваний сохраняет фертильность, но демонстрирует множество всяческих аномалий, в том числе резко возросшие уровни мутаций и хромосомных аберраций. В реципрокных скрещиваниях, где поставщиком активно транспозируемых Р-элеменов являются самки, этот феномен - гибридный дисгенез - не зарегестрирован. Очевидно, что какие-то свойства материнской цитоплазмы ("P-цитотип") ингибирует репликативные транспозиции P-элементов в клетках зародышевого пути. Наоборот, в дисгенетических скрещиваниях отцовские P-элементы попадают в М-цитотип, не препятствующий синтезу активной транспозазы, в результате чего мы и наблюдаем различные синдрому гибридного дисгенеза. Некоторые фактические данные заставляют предположить, что, по всей видимости, именно дефектные усеченные продукты единственного гена P-элементов и играют роль репрессора их транспозиции в P-цитотипе ( Snyder, Doolitle, 1988 ).

II. Накапливается все больше данных о рекомбинационном принципе регуляции активности очень многих МГС про- и эукариот. Наиболее детально исследованы:

1) инверсионная система переключения синтеза флагеллинов (H1 --> H2) у Salmonella typhimurium; такая же инверсионная смена ориентации небольшого сегмента ДНК позволяет некоторым фагам (Mu, PI и др.) менять круг хозяев;

2) транспозиционная ("кассетная") система переключения типов спаривания у дрожжей Saccharomyces cerevisiae;

3) сходная с предыдущей система переключения поверхностно-клеточных гликопротеиновых антигенов африканских трипаносом, вызывающих сонную болезнь;

4) целый каскад локальных рекомбинационных актов, ведущих к образованию зрелых генов для синтеза легких и тяжелых цепей иммуноглобулинов в ходе дифференцировки В-лимфоцитов.

III. Гомологичная рекомбинация , как и любой другой молекулярно-генетический процесс, допускает сбои. Основной класс таких ошибок - дупликации и делеции фрагментов ДНК самой разной длины и функциональной значимости, и одним из главных их поставщиков является процесс неравного кроссинговера.

Замечательной динамической особенностью этого процесса является его самоускоряющийся, автокаталитический характер, когда первичная дупликация порождает мультипликацию и вообще, чем больше уже возникло тандемных копий, тем больше вероятность неравного кроссинговера на следующем этапе. Роль пускового механизма в этом процессе может играть репликативная транспозиция МГЭ, порождающая повторенные последовательности. Таким образом, неравный кроссинговер рядов из тандемных повторов и репликативная транспозиция дисперсных повторов суть тесно взаимосвязанные процессы, которые, действуя совместно, резко увеличивают рекомбинационную нестабильность генома.

Однако, для спонтанной первичной дупликации нет необходимости в протяженных участках гомологии. Доказательством может служить мультипликация гена ampC у E.coli ( Edlund, Normark, 1981 ). Синапсиса со сдвигом прямых повторов длиной всего в 12 п.н., обрамляющих ген ampC, достаточно для дупликации, а затем мультипликации этого гена. Впрочем, столь же "легко" - через короткие повторы - могут происходить и делеции, как, например, в случае рекомбинации между несовершенными повторами длиной 17 п.н. в lac-опероне E.coli ( Albertini et al., 1983 ).

Понятно, что особо уязвимы с точки зрения вероятности быть делетированными в результате смещенной рекомбинации тандемные повторы большой длины. Эти делеции могут происходить не только через неравный кроссинговер между гомологичными хромосомами или сестринскими хроматидами, но и благодаря вырезанию кусков ДНК в пределах одной хроматиды и образованию кольцевых молекул.



Конъюгация

Конъюгация, 1) у водорослей конъюгат - своеобразный половой процесс, при котором происходит слияние содержимого двух внешне сходных вегетативных клеток. 2) У инфузорий - обмен половыми ядрами и последующее их попарное слияние; инфузории при этом сближаются по двое сторонами, на которых находится ротовое отверстие. При слиянии макронуклеус (вегетативное ядро) постепенно разрушается, а микронуклеус (половое ядро) двукратно делится путём мейоза, после чего 3 ядра разрушаются, а 1 делится снова и каждая из его половинок обменивается на половинку ядра партнёра, т. е. происходит их слияние и образуется синкарион, в результате чего восстанавливается двойной набор хромосом. Затем синкарион делится и часть продуктов деления превращается в макронуклеус, а другая часть - в микронуклеусы. Иногда из одной клетки в другую переходит при этом небольшое количество цитоплазмы. В деталях процесс конъюгации у инфузорий сильно варьирует. 3) У бактерий - способ переноса генетического материала от одной бактериальной клетки к другой. При этом две бактерии соединяются тонким мостиком, через который из одной клетки (донора) в другую (реципиент) переходит отрезок нити дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

Мейоз (или редукционное деление клетки) - деление ядра эукариотической клетки с уменьшением числа хромосом в два раза. Происходит в два этапа (редукционный и эквационный этапы мейоза). Мейоз не следует смешивать с гаметогенезом - образованием специализированных половых клеток, или гамет, из недифференцированных стволовых.

С уменьшением числа хромосом в результате мейоза в жизненном цикле происходит переход от диплоидной фазы к гаплоидной. Восстановление плоидности (переход от гаплоидной фазы к диплоидной) происходит в результате полового процесса.

В связи с тем, что в профазе первого, редукционного, этапа происходит попарное слияние (конъюгация) гомологичных хромосом, правильное протекание мейоза возможно только в диплоидных клетках или в чётных полиплоидах (тетра-, гексаплоидных и т. п. клетках). Мейоз может происходить и в нечётных полиплоидах (три-, пентаплоидных и т. п. клетках), но в них, из-за невозможности обеспечить попарное слияние хромосом в профазе I, расхождение хромосом происходит с нарушениями, которые ставят под угрозу жизнеспособность клетки или развивающегося из неё многоклеточного гаплоидного организма.

Этот же механизм лежит в основе стерильности межвидовых гибридов. Поскольку у межвидовых гибридов в ядре клеток сочетаются хромосомы родителей, относящихся к различным видам, хромосомы обычно не могут вступить в конъюгацию. Это приводит к нарушениям в расхождении хромосом при мейозе и, в конечном счете, к нежизнеспособности половых клеток, или гамет. Определенные ограничения на конъюгацию хромосом накладывают и хромосомные мутации (масштабные делеции, дупликации, инверсии или транслокации).



Трансформация

Трансформация - процесс поглощения клеткой организма свободной молекулы ДНК из среды и встраивания её в геном, что приводит к появлению у такой клетки новых для неё наследуемых признаков, характерных для организма-донора ДНК. Иногда под трансформацией понимают любые процессы горизонтального переноса генов, в том числе трансдукцию, конъюгацию и т. д.

В любой популяции лишь часть бактерий способна к поглощению из среды молекул ДНК. Состояние клеток, при котором это возможно, называют состоянием компетентности. Обычно максимальное число компетентных клеток наблюдается в конце фазы логарифмического роста.

В состоянии компетентности бактерии вырабатывают особый низкомолекулярный белок (фактор компетентности), активизирующий синтез аутолизина, эндонуклеазы I и ДНК-связывающего белка. Аутолизин частично разрушает клеточную стенку, что позволяет ДНК пройти через неё, а также снижает устойчивость бактерий к осмотическому шоку. В состоянии компетентности также снижается общая интенсивность метаболизма. Возможно искусственное приведение клеток в состояние компетентности. Для этого применяют среды с высоким содержанием ионов кальция, цезия, рубидия, электропорацию или заменяют клетки реципиента протопластами без клеточных стенок.

Эффективность трансформации определяется количеством колоний, выросших на чашке Петри после добавления к клеткам 1 мкг суперскрученной плазмидной ДНК и рассева клеток на питательную среду. Современные методы позволяют добиваться эффективности 106-109.

Поглощаемая ДНК должна быть двухнитевой (эффективность трансформации однонитевой ДНК на порядки ниже, однако несколько возрастает в кислой среде), её длина - не менее 450 пар оснований. Оптимальное pH для прохождения процесса - около 7. Для некоторых бактерий (Neisseria gonorrhoeae, Hemophilus) поглощаемая ДНК должна содержать определённые последовательности.

ДНК необратимо адсорбируются на ДНК-связывающем белке, после чего одна из нитей разрезается эндонуклеазой на фрагменты длиной 2-4 тыс. пар оснований и проникает в клетку, вторая полностью разрушается. В случае, если эти фрагменты имеют высокую степень гомологии с какими-либо участками бактериальной хромосомы, возможна замена этих участков на них. Поэтому эффективность трансформации зависит от эволюционного расстояния между донором и реципиентом. Общее время процесса не превышает нескольких минут. Впоследствии, при делении, в одну дочернюю клетку попадает ДНК, построенная на основе исходной нити ДНК, в другую - на основе нити с включённым чужеродным фрагментом (выщепление).

Трансформация была открыта в 1928 году, когда британский учёный Ф. Гриффит показал возможность превращения непатогенных штаммов Streptococcus pneumoniae в патогенные (различаются наличием полисахаридной капсулы, позволяющей закрепляться на тканях высших организмов) в результате взаимодействия с убитыми клетками патогенных штаммов. В 1944 году О. Эйвери (США) показал, что для передачи признака достаточно обработки ДНК патогенного штамма пневмококка. Это открытие стало первым свидетельством роли ДНК как носителя наследственности.

В 1960-х годах началось изучение трансформации у животных, в конце 1970-х - у растений.

Трансдукция

Трансдукция (от лат. transductio - перемещение) - процесс переноса бактериальной ДНК из одной клетки в другую бактериофагом. Общая трансдукция используется в генетике бактерий для картирования генома и конструирования штаммов. К трансдукции способны как умеренные фаги, так и вирулентные, последние, однако, уничтожают популяцию бактерий, поэтому трансдукция с их помощью не имеет большого значения ни в природе, ни при проведении исследований.

Фаги способны к реализации двух путей развития в бактериальной клетке: Литический - после попадания в бактерию ДНК фага сразу же начинается его репликация, синтез белков и сборка готовых фаговых частиц, после чего происходит лизис клетки. Фаги, развивающиеся только по такому сценарию, называют вирулентными.

Лизогенный - попавшая в бактериальную клетку ДНК фага встраивается в её хромосому или существует в ней как плазмида, реплицируясь при каждом делении клетки. Такое состояние бактериофага носит название профаг. Система его репликации в этом случае подавлена синтезируемыми им самим репрессорами. При снижении концентрации репрессора профаг индуцируется и переходит к литическому пути развития. Реализующие подобную стратегию бактериофаги называются умеренными. Для некоторых из них стадия профага является обязательной, другие в некоторых случаях способные сразу развиваться по литическому пути.



Перенос фрагментов ДНК бактерии

Осуществляется фагом P1, существующим в бактериальной клетке в виде плазмиды, фагами P22 и Mu, встраивающимися в любой участок бактериальной хромосомы. После индуцирования профага с вероятностью в 10−5 на одну клетку возможна ошибочная упаковка фрагмента ДНК бактерии в капсид фага, ДНК самого фага в нём в этом случае нет. Длина этого фрагмента равна длине нормальной фаговой ДНК, его происхождение может быть любым: случайный участок хромосомы, плазмида, другие умеренные фаги.

Попадая в другую бактериальную клетку, фрагмент ДНК может включаться в её геном, обычно путём гомологичной рекомбинации. Перенесённые фагом плазмиды способны замыкаться в кольцо и реплицироваться уже в новой клетке. В ряде случае фрагмент ДНК не встраивается в хромосому реципиента, не реплицируется, но сохраняется в клетке и транскрибируется. Это явление носит название абортивной трансдукции.

Специфическая трансдукция

Наиболее хорошо изучена специфическая трансдукция на примере фага λ. Этот фаг встраивается только в один участок (att-сайт) хромосомы E. coli с определённой последовательностью нуклеотидов (гомологичной att-участку в ДНК фага). Во время индукции его исключение может пройти с ошибкой (вероятность 10−3-10−5 на клетку): вырезается фрагмент тех же размеров что и ДНК фага, но с началом не в том месте. При этом часть генов фага теряется, а часть генов E. coli захватывается им. Вероятность переноса гена в этом случае падает при увеличении расстояния от него до att-сайта.

Для каждого специфически встраивающегося в хромосому умеренного фага характерен свой att-сайт и, соответственно, расположенные рядом с ним гены, которые он способен передавать. Ряд фагов может встраиваться в любое место на хромосоме и переносить любые гены по механизму специфической трансдукции. Кроме того, в хромосоме обычно есть последовательности, частично гомологичные att-участку ДНК фага. При повреждении полностью гомологичного att-сайта можно добиться включения фага в хромосому по этим последовательностям и передачу в ходе специфической трансдукции генов, соседних уже с ними.

Когда умеренный фаг, несущий бактериальные гены, встраивается в хромосому новой бактерии-хозяина, она содержит уже два одинаковых гена - собственный и принесённый извне. Поскольку фаг лишён части собственных генов, часто он не может индуцироваться и размножиться. Однако при заражении этой же клетки «вспомогательным» фагом того же вида, индуцирование дефектного фага становится возможным. Из хромосомы выходят и реплицируются как ДНК нормального «вспомогательного» фага, так и ДНК дефектного, вместе с переносимыми им бактериальными генами. Поэтому около 50% образующихся фаговых частиц несут бактериальную ДНК. Это явление носит название трансдукции с высокой частотой (HFT от англ. high frequency transduction).

История изучения



Эстер Ледерберг была первой учёной, кому удалось выделить бактериофаг лямбда, ДНК вирус, из Escherichia coli K-12 в 1950 году.

Собственно открытие трансдукции связано с именем американского учёного Джошуа Ледерберга. В 1952 году он совместно с Нортоном Циндером обнаружил общую трансдукцию. В 1953 Ледербергом и др. было показано существование абортивной трансдукции, в 1956 - специфической.



Значение рекомбинации

Рекомбинация - главный генератор фенотипического разнообразия, того самого, с которым оперирует естественный отбор, тех отличий между организмами, которые играют решающую роль в их борьбе за существование. Мы привыкли думать, что эти различия определяются мутациями генов. Это и верно, и неверно одновременно.

Мутации меняют гены. Ген может быть неузнаваемо испорчен мутацией, изменен с сохранением функции (синонимически) или с ее потерей. Мы должны ясно понимать, что функция каждого гена определяется его взаимодействием с другими генами. Поэтому и функцию гена, и ее изменения следует рассматривать исключительно в рамках конкретного метаболического пути или регуляторной генной сети, в которых задействованы продукты этого гена. Бессмысленный или неверный ген из одной генной сети может приобрести новый, неожиданный смысл в другой; синоним в одном контексте оказаться антонимом в другом. Таким образом, мутации меняют фенотип не сами по себе, а в сочетании с другими генами.

Разнообразие фенотипов, которое мы наблюдаем, есть воплощенное разнообразие генных сочетаний. А поскольку рекомбинация обеспечивает постоянную генерацию все новых и новых сочетаний, мы имеем полное право назвать этот замечательный механизм генератором фенотипического разнообразия.

Рекомбинация, видимо, возникла одновременно или вскоре после появления жизни. Однако на первых порах она была робкой и спорадической. Такой она и остается в мире прокариот. Бактерии иногда входят в контакт друг с другом и обмениваются генетической информацией, чаще когда их жизнь становится хуже. Но из этого не следует, что рекомбинация непременно облегчает им жизнь, повышает их приспособленность. Она дает им шанс, надежду на то, что новая комбинация генов окажется полезной.

Регулярная, запланированная и обязательная рекомбинация появилась гораздо позже, одновременно или вскоре после возникновения эукариотических клеток. В пользу этого предположения свидетельствует тот факт, что у подавляющего большинства современных эукариот рекомбинация происходит регулярно, а ее молекулярные и клеточные механизмы у самых разных организмов поразительно сходны. Сходство мы обнаруживаем и в том, что у всех них рекомбинация так или иначе связана с размножением. У эукариот, в отличие от бактерий, результаты рекомбинации проявляются не у самих организмов, а у их потомков.

Если мы сравним размножение бесполых (не рекомбинирующих) и половых (регулярно рекомбинирующих) организмов, нам сразу бросится в глаза поразительная неэффективность последнего варианта размножения. Представим себе два острова. На одном живут самец и самка, способные к половому размножению и, следовательно, к рекомбинации. На другом - две самки, размножающиеся бесполым путем. Ограничим плодовитость и тех и других самок двумя потомками. После первого же цикла размножения на бесполом острове родится четыре потомка, а на половом - два. Если на половом острове оба родившихся детеныша будут одного пола, то на этом вся история закончится. Если на свет появятся самка и самец, то эта пара произведет еще двух потомков, а на бесполом острове их родится уже восемь. Таким образом, при заданных условиях численность популяции бесполого острова будет расти экспоненциально, а на половом она так и останется равной двум особям. Очевидно, что эффективность бесполого размножения значительно выше.

Немного про инсертосомы.

Выщепляемые участки ДНК обозначают термином инсертосомы. Кроме фагов Mu и X известны еще два основных типа транспозируемых элементов. Tn-элементы (транспозоны) представляют собой сегменты R-факторов - плазмид, кодирующих устойчивость к антибиотикам. Транспозоны содержат несколько тысяч пар нуклеотидов и часто имеют на концах специфические последовательности в прямой или обратной ориентации друг к другу, которые и обеспечивают транслокацию заключенного между ними генетического материала. Как правило, каждый из транспозонов содержит информацию, достаточную для фенотипического проявления устойчивости микроорганизма к одному или группе родственных антибиотиков.

Другой вид инсертосом - IS-элементы состоят из нескольких сот пар нуклеотидов и не имеют определенного фенотипического выражения, хотя могут содержать сигналы для инициации или терминации транскрипции, а также кодировать ферменты, осуществляющие процесс транспозиции.

У E.coli известно несколько типов IS-элементов. Инсертосомы ISl и IS2 могут регулировать скорость транскрипции лактозного и галактозного оперонов. Встраиваясь в галактозный оперон между промотором и первым структурным геном, элемент IS2 играет роль зависимого терминатора и резко тормозит транскрипцию.



Недавно установлено, что регуляции транскрипции с помощью инсертосом происходит также при биосинтезе белков жгутиков сальмонелл. У этих бактерий существует несколько типов флагеллинов - структурных белков, из которых собираются жгутики. Так, в геноме штамма SL 4213 есть два раздельно локализованных гена Hl и Н2, кодирующих два разных флагеллина. В одном из состояний генома транскрибируется только ген Hl и образуется кодируемый им флагедлин. В другом состоянии включается транскрипции генов rhl и 112, причем продукт гена rhl является репрессором транскрипции гена Hl. Участок ДНК, содержащий гены rhl и Н2, включает небольшую область (около 800 пар нуклеотидов), которая представляет собой инсертосому и может существовать и прямом и инвертированном состоянии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


  1. Агол В.И., Тольская Е.А. 1988. Рекомбинация между РНК-геномами. Молекуляр. биология.

  2. Александр Марков. На пути к разгадке тайны мейоза. По статье: Ю. Ф. Богданов. Эволюция мейоза одноклеточных и многоклеточных эукариот. Ароморфоз на клеточном уровне. Журнал общей биологии, Том 69, 2008.

  3. Генетическая трансформация - глава из книги В. Гранта «Эволюция организмов». М., 2002.

  4. Гогвадзе Е.В., Буздин А,А. 2005, Новый механизм образования ретроге- нов в геномах млеконитающих: рекомбинация in vivo при обратнойтранскрипции РНК, Молекуляр. биология.

  5. Жимулев И. Ф. Трансформация у дрозофилы - новый экспериментальный подход в генетике. М., 2002.

  6. Пехов А. П. Биология с основами экологии. Серия «Учебники для вузов. Специальная литература» - 2000.

  7. Спирин А.С. 1986. Молекулярная биология: Структура рибосомы и био- синтез белка. Высш. шк. Москва.

  8. Четверин А.Б. 1999. Новый взгляд на рекомбинацию РНК. Молекуляр. биология. 33,985-996.




Достарыңызбен бөлісу:


©stom.tilimen.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет