Генетическая рекомбинация. Рекомбинация это в биологии

Генетическая рекомбинация включает несколько связанных между собой процессов, в результате которых в клетках или организмах, где они происходят, создаются новые комбинации элементов носителей генетической информации. Рекомбинация между близко расположенными гомологичными хромосомами приводит к интенсивной перетасовке отцовских и материнских генов в ходе мейоза и тем самым создает предпосылки для эволюционной проверки новых комбинаций этих генов в потомстве. Как правило, рекомбинационные события, происходящие в соматических клетках либо во время репликации ДНК, либо после нее и проявляющиеся в виде обмена сестринских хроматид, не приводят к изменению генотипа или фенотипа клетки. Однако нередко они порождают различные геномные перестройки. Это, например, утрата, приобретение или амплификация генетических элементов и установление новых взаимосвязей между уже имеющимися, но по-новому расположенными элементами.

Если использовать молекулярные термины, то можно сказать, что генетическая рекомбинация состоит в образовании ковалентных связей между нуклеотидными последовательностями из разных областей одной и той же или разных молекул ДНК.

Все клетки и многие вирусы содержат информацию о синтезе ферментов, предназначенных не только для репарации повреждений в собственной ДНК, но и ферментов, осуществляющих рекомбинацию. На самом деле некоторые ферменты, участвующие в репликации и репарации ДНК, играют ключевую роль и при рекомбинации. В этом разделе мы рассмотрим механизмы некоторых рекомбинационных процессов и ферменты, которые их катализируют. Особое внимание будет обращено на рекомбинацию у бактерий и фагов, поскольку у них эти процессы довольно хорошо изучены. Несмотря на то что генетические и морфологические аспекты рекомбинации в эукариотических клетках известны, на молекулярном уровне здесь многое остается неясным.

Типы рекомбинации

Существуют три типа рекомбинации: общая, или гомологичная, сайт-специфическая и случайная, или негомологичная.

Общая рекомбинация. Общая рекомбинация происходит, как правило, между протяженными участками идентичных или гомологичных нуклеотидных последовательностей. Ее часто называют гомологичной рекомбинацией или кроссинговером. При общей рекомбинации происходит разрыв двух гомологичных участков ДНК, и каждый из концов одного сегмента соединяется с соответствующими концами другого таким образом, что обе образующиеся молекулы содержат разные фрагменты обеих участвующих в рекомбинации ДНК. На самом деле сайты, по которым происходят разрыв и воссоединение каждой из двух цепей, очень часто не совпадают.

Обычно общая рекомбинация происходит между гомологичными и аллельными участками разных молекул ДНК, но она может произойти и между гомологичными, но неаллельными областями ре-комбинирующих молекул. В этом случае один из продуктов рекомбинации утрачивает часть ДНК, а другой приобретает "лишний" сегмент. Такой процесс получил название неравного кроссинговера. Иногда рекомбинация происходит между неаллельными участками одной и той же хромосомы с соответствующей потерей области, лежащей между сайтами рекомбинации. В отличие от уже рассмотренных случаев некоторые рекомбинационные события нереципрокны; как следствие, один из образовавшихся продуктов идентичен одной из исходных молекул, а другой отличается от обоих партнеров. Такой процесс часто называется генной конверсией.

Сайт-специфическая рекомбинация. Рекомбинация называется сайт-специфической, если сайты разрыва и воссоединения в двух рекомбинирующих молекулах или двух фрагментах одной и той же молекулы ДНК находятся в пределах довольно коротких специфических гомологичных нуклеотидных последовательностей — как правило, не более 25 нуклеотидов. Такие короткие последовательности может иметь только один из партнеров или оба. В качестве примера первого варианта можно привести транспозиции некоторых мобильных элементов у эу — и прокариот, а второго — процесс интеграции-выщепления ДНК фага X из хромосомы Е. coli. С помощью сайт-специфической рекомбинации происходят запрограммированные перестройки хромосомной ДНК при смене типов спаривания у дрожжей; она ответственна также за разнообразие антител. По-видимому, общая рекомбинация между любыми парами гомологичных последовательностей осуществляется с помощью одного и того же комплекса ферментов; с другой стороны, для каждого случая сайт-специфической рекомбинации необходим свой набор ферментов. Негомологичная рекомбинация. Рекомбинация между негомологичными нуклеотидными последовательностями происходит в клетках прокариот и дрожжей достаточно редко, а в клетках млекопитающих — весьма часто. К негомологичной рекомбинации можно отнести процесс случайного встраивания вирусной или плазмидной ДНК в ДНК клеток животных, в результате чего в реплицирующихся геномах паповавирусов появляется множество делеций и дупликаций. Концы разорванной ДНК могут соединиться, даже если они негомологичны. В некоторых случаях рекомбинация происходит между последовательностями, содержащими несколько гомологичных пар оснований, или между короткими частично гомологичными участками. Но, как правило, рекомбинирующие сегменты не имеют гомологичных последовательностей.

Общая рекомбинация между гомологичными молекулами ДНК

Общая рекомбинация при согласованном внесении разрывов и воссоединении цепей двух спиралей ДНК с образованием протяженных гетеродуплексных областей. Чтобы могла произойти рекомбинация между двойными спиралями, каждая из четырех цепей должна быть разорвана и затем соединена с новым партнером. Соответствующие цепи обоих линейных гомологичных дуплексов ДНК надрезаются и свободные концы одной спирали спариваются с комплементарными участками другой. Перекрест стабилизируется сшиванием концов донорных цепей со свободными концами реципиентных спиралей. Точка перекреста обменивающихся цепей перемещается вдоль спиралей — процесс, называемый миграцией ветви. При этом происходит одновременное расхождение цепей исходных спиралей и их реассоциация с новыми партнерами с образованием дочерних дуплексов. Структуры дие, а также ж называются структурами Холлидея по имени исследователя, впервые их предложившего.

Структуры Холлидея могут переходить в рекомбинантные двойные спирали путем внесения разрыва и воссоединения цепей двумя альтернативными способами. Один способ состоит в разрезании и воссоединении перекрещивающихся цепей. Два реципрокных продукта л и м могут образоваться, если разрыв и последующее воссоединение цепей произойдут в точке перекреста в структурах е и д или по линии пересечения четырех цепей в изомерной структуре Холлидея и. Размер обменивающихся фрагментов зависит от расстояния, на которое произошла миграция ветви до акта рекомбинации. Альтернативные продукты н и о образуются в том случае, если структура Холлидея з переходит в результате разрыва в к.

В основе рекомбинации данного типа лежит гомологичное спаривание цепей, принадлежащих двум разным спиралям ДНК, поэтому скорее всего она произойдет в том месте, где такое спаривание возможно a priori и где гомологичность последовательностей достаточно велика, чтобы могла произойти миграция ветви в рамках структуры со скрестившимися цепями. Отсюда можно понять, почему общая, или гомологичная, рекомбинация происходит также между двумя повторами в пределах одной молекулы ДНК или между аллельными и неаллельными элементами одной и той же последовательности в двух разных хромосомах.

В ходе миграции ветви при спаривании цепей, принадлежащих разным спиралям, образуются гетеродуплексы . В таких гетеродуплексах в пределах сегмента между сайтом начала образования структуры Холлидея и сайтом кроссинговера может содержаться по одному или более ошибочно спаренных оснований. Они удаляются так же, как любые модифицированные основания при репарации ДНК. Однако, поскольку удалено может быть любое из ошибочно спаренных оснований, в обеих рекомбинантных спиралях в данном сайте могут оказаться одинаковые пары оснований, т.е. рекомбинация для этого сайта окажется нереципрокной. Таким образом, каждая из рекомбинантных спиралей может быть похожа на любой из начальных дуплексов в тех позициях, где исходно они различались.

Общая рекомбинация с образованием двухцепочечного разрыва. Альтернативный механизм общей рекомбинации включает образование двухцепочечного разрыва в одном из дуплексов-партнеров. Далее с помощью экзонуклеаз в месте разрыва образуется брешь. При спаривании 3′-одноцепочечного конца бреши с комплементарной цепью интактной спирали в последней образуется петля. Размер этой петли увеличивается по мере того, как ДНК-полимераза наращивает 3′-конец "вклинившейся" цепи. В итоге другой одноцепочечный конец бреши спаривается с комплементарной последовательностью в перемещающейся петле. В результате такого спаривания образуется система "праймер-матрица", и ДНК-полимераза синтезирует недостающую цепь, заполняя брешь. Лигирование двух растущих концов с исходными цепями приводит к образованию двойной структуры Холлидея. Миграция ветви в одном или обоих перекрестах передвигает оба места сцепления в любом направлении, при этом в участках, фланкирующих брешь, могут возникать ошибки. Разделение таких структур может идти двумя способами — с перекрестом и без него, с образованием четырех дуплексов.

Необходимо отметить некоторые особенности этого механизма. Образование ошибочных пар в районах, фланкирующих брешь, обусловливает получение как реципрокных, так и нереципрокных рекомбинаций между генетическими маркерами. Если двухцепочечный разрыв происходит вблизи участка, где между спиралями имеются различия, то рекомбинанты унаследуют нуклеотидную последовательность партнера, у которого разрыва не происходило. Этот механизм объясняет многие случаи генной конверсии, особенно те, в которых протяженная последовательность одного дуплекса замещается соответствующей, но отличающейся последовательностью другого дуплекса.

Нереципрокная общая рекомбинация используется и при репарации некоторых повреждений ДНК. Например, если тиминовые димеры не были удалены из УФ-облученной ДНК до того, как к ним подошла репликативная вилка, то синтез комплементарной цепи в этом участке не может быть завершен. Поскольку тиминовые димеры, находящиеся напротив бреши, не могут быть выщеплены, остается один путь для спасения хроматиды — использовать генетическую информацию гомологичной сестринской хроматиды и заполнить брешь. Для этого применяется такой же механизм, как для репарации брешей.

Ферменты, участвующие в общей рекомбинации

В общей рекомбинации участвуют два специфических фермента и еще несколько ферментов, катализирующих также процессы репликации и репарации ДНК. Энзимология общей рекомбинации изучена только для некоторых прокариотических организмов, в частности E. coli и ее фагов. Один из специфических ферментов, необходимых для успешной гомологичной рекомбинации, называется recA-белком. Он катализирует обмен одиночными цепями, используя энергию гидролиза АТР до ADP и неорганического фосфата. RecA-зависимое внедрение одноцепочечных ДНК в дуплекс — первый этап рекомбинационного процесса в рамках обеих схем Холлидея и механизма с образованием двухцепочечных разрывов. Второй фермент, состоящий из трех отдельных субъединиц и поэтому называемый recBCD-нуклеазой, обладает эндо — и экзонуклеазной, а также геликазной активностями. Механизм его действия до конца не установлен, однако известно, что recBCD-нуклеаза индуцирует разрывы в дуплексной ДНК и благодаря присущей ей геликазной активности вместе с recA инициирует рекомбинационный процесс. Идентифицирован также фермент, разрезающий узлы в структурах Холлидея; при его участии образуются липкие концы, соединяемые лигазой.

В общей рекомбинации участвуют также геликазы и белки, связывающиеся с одноцепочечной ДНК; оба они необходимы для обеспечения процесса миграции ветви. Как известно, перемещению цепей во время миграции ветви способствует Pol I, а в воссоединении разорванных цепей участвует ДНК-лигаза. Для снятия топологических ограничений при раскручивании спирали и для распутывания перекрученных структур, по-видимому, нужны топоизомераза типа I и, возможно, гираза.

Сайт-специфическая рекомбинация

Сайт-специфическая рекомбинация происходит между специфическими сегментами дуплексов ДНК, не имеющими протяженных гомологичных участков. Характерным примером такой рекомбинации служит интеграция кольцевой ДНК фага X с хромосомой Е. coli и ее обратное выщепление. Несмотря на то что эти рекомбинационные события также включают разрыв и воссоединение двух спиральных сегментов ДНК, их механизм абсолютно отличен от механизма общей рекомбинации. В этом случае рекомбинация происходит в пределах специфической нуклеотидной последовательности ДНК фага X и уникальной последовательности ДНК Е. coli. Нуклеотидные последовательности attP — и attВ-сайтов совершенно различны, хотя имеют общее ядро протяженностью в 15 нуклеотидных пар. AttP простирается на 150 нуклеотидов влево и на 75 нуклеотидов вправо от общего ядра, a attB — это сегмент длиной всего около 25 нуклеотидов, включая и ядро. Рекомбинационные события, происходящие как при интеграции, так и при исключении ДНК фага X из хромосомы Е. coli.

Поскольку нуклеотидные последовательности, фланкирующие attP — и а?? В-сайты слева и справа, для этих сайтов различаются, механизм рекомбинационного выщепления ДНК фага X из ДНК Е. coli должен отличаться от механизма их рекомбинационной интеграции. И действительно, для рекомбинации между attL и attR при исключении фаговой ДНК помимо белка Int необходимы фаговый белок xis и клеточный белок HF. Процесс рекомбинационного выщепления, по-видимому, имеет некоторое сходство с процессом интеграции, но роль указанных трех белков, особенно белка xis, все еще изучается.

Генетическая рекомбинация включает несколько связанных между собой процессов, в результате которых в клетках или организмах, где они происходят, создаются новые комбинации элементов - носителей генетической информации. Чаще всего мы говорим о рекомбинации при описании процесса кроссинговера, во время которого рекомбинация между гомологичными хромосомами приводит к интенсивной перетасовке отцовских и материнских генов в ходе мейоза.

Рекомбинация может происходить и в соматических клетках, где она проявляется обычно в виде обменов сестринских хроматид, которые не приводят к изменению генотипа или фенотипа клетки. Это связано с тем, что рекомбинация происходит между взаимно соответствующими парами оснований, так что ни один нуклеотид не добавляется и не удаля-ется из рекомбинантных хромосом. Также рекомбинация бывает часто вовлечена и в процессы репарации.

Существуют три типа рекомбинации: 1) общая, или гомологическая, 2) сайт-специфическая, 3) случайная, или негомологичная.

Рекомбинация, включающая обмены между гомологичными последовательностями ДНК, называется общей или гомологической рекомбинацией, и именно она будет главным предметом нашего интереса, так как именно гомологическая рекомбинация ДНК вовлечена в различные репаративные процессы.

Рекомбинация (биология)

Подробное ее описание будет дано ниже, а пока остановимся кратко на двух других типах рекомбинации, происходящей под контролем ферментов, опознающих специфические последовательности нуклеотидов, присутствующие на одной или двух рекомбинирующих молекулах. С помощью этого типа рекомбинации бактериальные вирусы и мобильные элементы перемещаются по геному.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

РЕКОМБИНАЦИЯ

У эукариотических организмов, размножающихся половым путём, рекомбинация происходит в мейозе при независимом расхождении хромосом и при обмене гомологичными участками между гомологичными хромосомами (кроссинговере). Возможна и т. н. незаконная рекомбинация, когда структурные перестройки затрагивают негомологичные хромосомы. Рекомбинации бывают и в половых, и, гораздо реже, в соматических клетках. У прокариот (бактерий) и у вирусов существуют специальные механизмы обмена генами. Таким образом, рекомбинации - универсальный способ повышения генотипической изменчивости у всех организмов, создающий материал для естественного отбора. См. также изменчивость, Менделя законы.

При гомологичной рекомбинации в процессе раз-рыва и воссоединения ДНК происходит обмен меж-ду участками ДНК, обладающими высокой степенью гомологии. Гомологичная рекомбинация происхо-дит через образование промежуточного соединения, в котором осуществляется комп-лементарное спаривание между одноцепочечными участками, принадлежащими разным родительским молекулам ДНК. Процесс гомологичной рекомби-нации находится под контролем генов, объединенных в REC-систему, состоящую из генов recA,B,C,D. Продукты этих генов производят расплетание нитей ДНК и их переориентацию с образованием структу-ры Холидея, а также разрезают структуру Холидея для завершения процесса рекомбинации.

Сайт-специфическая рекомбинация

Происходит в определенных участках генома и не требует высокой степени гомологии ДНК. Этот тип рекомбинации не зависит от функционирования генов rec A,B,C,D. Примером этого типа рекомби-нации является встраивание плазмиды в хромосому бактерий, которое происходит между идентичными IS-элементами хромосомы и плазмиды, интеграция ДНК фага в хромосому Е. coli. Сайт-специфическая рекомбинация, происходящая в пределах одного репликона, участвует также в переключении активности генов. Например, у сальмонелл следствием этого процесса являются фазовые вариации жгути-кового Н-антигена.

Незаконная или репликативная рекомбинация

Незаконная или репликативная рекомбинация не зависит от функционирования генов rec A,B,C,D. Примером ее является транспозиция подвижных ге-нетических элементов по репликону или между репликонами, при этом, как уже было отмечено, транспозиция подвижного генетического эле-мента сопровождается репликацией ДНК.

Передача генетической информации у бактерий

Рекомбинация у бактерий является конечным эта-пом передачи генетического материала между бакте-риями , которая осуществляется тремя механизмами : конъюгацией (при контакте бактерий, одна из кото-рых несет конъюгативную плазмиду), трансдукцией (при помощи бактериофага), трансформацией (при помощи высокополимеризованной ДНК).

Конъюгация

Передача генетического материала от клетки-донора в клетку-реципи-ент путем непосредственного контакта клеток называется конъюгацией .

Передача генетического материала от клет-ки-донора в клетку-реципи-ент впервые была обнаружена Дж. Ледербергом и Э. Тейтумом в 1946 г.

Необходимым условием для конъюгации является наличие в клетке-доноре транс-миссивной плазмиды .

Трансмиссивные плазмиды кодируют по-ловые пили, образующие конъюгационную трубочку между клеткой-донором и клеткой-реципиентом, по которой плазмидная ДНК передается в новую клетку.

Фактор плодовитости (F), или половой фактор был открыт у кишечной палочки ещё в 1968 г. Было установлено, что после смешивания двух различных штаммов бактерий F+ иF- происходит рекомбинация бактериальных признаков. F+ — это «мужской» или донорский генетический материал, а F- — «женский» или реципиентный. В настоящее время известно, когда вступают в контакт клетки F+ иF -, при этом могут осуществляться два совершенно разных процесса : в одних случаях передавать только фактор плодовитости, F-фактор, в других, переносить часть генетического материала донорской клетки в клетку-реципиент.

Первый процесс , когда сам F -фактор способен переходить из бактерий F+ в бактерию F-, превращая её в клетку F+ (клетка становится донором), но никакого переноса генов, локализованных в хромосоме, при этом не происходит.

Второй процесс , это когда из донорской клетки в реципиентную может переходить часть (редко вся) хромосомы.

Для осуществления второго процесса, однако, необходимо, чтобы F -фактор сначала включился в бактериальную хромосому хозяина. Бактерии в таком состоянии обозначаются Hfr (высокая частота рекомбинации). Встроенный в хромосому F -фактор способен вызывать перенос бактериальной хромосомы в клетку F- , где затем может происходить рекомбинация бактериальных генов. Обычно процесс прерывается до того, как успевает перейти целая хромосома донорской клетки. Более того, та часть F -фактора, которая ответственна за перенос, находится у дистального конца переносимой хромосомы и обычно остается в донорской клетке. Из-за того, что F -фактор может встраиваться в хромосому клетки, его называют эписомой . Однако не все плазмиды обладают свойствами эписом, т.к. не все способны встраиваться в бактериальные хромосомы.

Перенос генетического материала детерминируется tra-опероном F -плазмиды (от англ. transfer – перенос). Механизм пере-дачи плазмидной ДНК из клетки в клетку заключается в том, что специальный белок, кодируемый tra-опероном , «узнает» опреде-ленную последовательность в ДНК плазмиды, называемую origin – начало переноса, англ. (О-ген ), вносит в эту последовательность одноцепочечный разрыв и ковалентно связывается с 5′-концом. Затем цепь ДНК, с которой связан белок, переносится в клетку-реципи-ент, а неразорванная комплементарная цепь остается в клетке-доноре. Таким образом, при конъюгации передается только одна цепь ДНК -донора. Клеточный аппарат синтеза ДНК достраивает одиночные цепи и в доноре и в реципиенте до двухцепочечной структуры.

Белок, связанный с 5′-концом пе-ренесенной цепи, способствует замыканию плазмиды в реципиентной клетке в кольцо. Этот процесс представлен на рисункена примере переноса в реципиентную клетку плазмиды F (fertility – плодовитость, англ.), которая является как трансмиссивной , так и интегративной плазмидой. Клетки-доноры, обладающие F -фактором, обозначаются как Р+ -клетки, а клетки-реципиенты, не имею-щие F-фактора, обозначаются как F- -клетки. Если F-фактор находится в клетке-доноре в автономном состоянии, то в результате скре-щивания: F+ × F- клетка-реципиент приобре-тает донорские свойства (см. рис. 5.4, 1А).

Если F -фактор или другая трансмиссивная плазмида встраиваются в хромосому клетки-донора, то плазмида и хромосома начинают функционировать в виде единого трансмис-сивного репликона , что делает возможным пе-ренос бактериальных генов в бесплазмидную клетку-реципиент, т. е. процесс конъюгации. Штаммы, в которых плазмида находится в интегрированном состоянии, переносят свои хромосомные гены бесплазмидным клеткам с высокой частотой и поэтому называются Hfr (от англ. high frequency of recombination – высо-кая частота рекомбинации).

Процесс переноса хромосомных генов в слу-чае скрещивания: Hfr×F- всегда начинается с расщепления ДНК в одной и той же точке, месте интеграции F- фактора или другой транс-миссивной плазмиды. Одна нить донорской ДНК передается через конъюгационный мос-тик в реципиентную клетку . Процесс сопро-вождается достраиванием комплементарной нити до образования двунитевой структуры. Перенос хромосомных генов при конъюга-ции всегда имеет одинаковую направленность, противоположную встроенной плазмиде. Сама трансмиссивная плазмида передается послед-ней .

Переданная в реципиентную клетку и достроенная до двунитевой структуры нить ДНК донора рекомбинирует с гомологичным участ-ком реципиентной ДНК с образованием стабильной генетической структуры.

Конъюгационный мостик непрочен, он легко разрывается, не нарушая жизнеспособности конъюгирующих клеток. Соответственно в процессе передачи может нарушаться целостность передаваемой хромосомы. Все это объясняет чрезвычайно редкую передачу фактора F от Hfr-бактерий к F –клеткам, так как для этого необходимо приобретение реципиентом как начального, так и конечного участка хромосомы донора.

Обычно Hfr-штаммы передают с высокой частотой не всю хромосому, а лишь близколежащие к О -точке гены. Путем включения F- фактора в различные участки хромосомы получены разнообразные Hfr- штаммы, различающиеся по локализации О -точек и направлению передачи хромосомы.

Т.о, вследствие хрупкости конъюгационного мостика половой фактор F редко передается в клетку-реципиент, Поэтому образовавшийся рекомбинант донор-скими функциями, как правило, не обладает.

Вследствие направленности передачи генов ко-нъюгация используется для картирования генома бактерий и построения генетической карты.

Трансдукция

Передача генетического материала от одних бактерий другим с помощью фагов называется трансдукцией . Трансдуцирующий фаг – это в своем роде «трамвай», т.к. внутри своей белковой оболочки он перевозит «безбилетного пассажира» — часть ДНК из предыдущего фага хозяина и вводит эту ДНК таким же образом, как и свою собственную ДНК, в чувствительную к фагу бактериальную клетку.

Главным признаком процессов трансдукции является способность некоторых созревающих фаговых частиц (созревание происходит спонтанно, либо в результате индукции) захватывать ограниченный участок генома бактерии-хозяина и переносить его в родственную клетку , чувствительную к этому фагу. Свойством переносить генетический материал от бактерий доноров к бактериям реципиентов обладают умеренные фаги и их мутанты.

Трансдукцией называют передачу бактериальной ДНК посредством бактериофага .

Этот процесс был открыт в 1951 г. Н.Циндером и Дж. Ледербергом.

Значение слова РЕКОМБИНАЦИЯ в Энциклопедии Биология

В процессе репликации фага внутри бактерий фрагмент бактериальной ДНК проникает в фаговую частицу и переносится в реципиен-тную бактерию во время фаговой инфекции. Существует три типа трансдукции:

общая трансдукция (или не специфическая ) – перенос бактериофа-гом фрагмента любой части бактериальной хромосомы – происходит вследствие того, что бактериальная ДНК фрагментируется после фаговой инфекции и кусочек бактериальной ДНК того же размера, что и фаговая ДНК, проникает в вирусную, формируя дефектную фаговую частицу с частотой приблизительно 1 на 1000 фаговых частиц. При инфицировании клетки-реципиента дефек-тной фаговой частицей ДНК клетки-донора «впрыскивается» в нее и рекомбинирует го-мологичной рекомбинацией с гомологичным участком хромосомы-реципиента с образова-нием стабильного рекомбинанта. Этим типом трансдукции обладают Р -фаги;

специфическая трансдукция – наблюдается в том случае, когда фаговая ДНК интегрирует в бактериальную хромосому с образованием профага. В процессе исключения

ДНК-фага из бактериальной хромосомы в результате случайного процесса захватывается приле-гающий к месту включения фаговой ДНК фрагмент бактериальной хромосомы, стано-вясь дефектным фагом. Так как большинство умеренных бактериофагов интегрирует в бактериальную хромосому в специфических участках, для таких бакте-риофагов характерен перенос в клетку-ре-ципиент определенного участка бактериаль-ной ДНК клетки-донора. ДНК дефектного фага рекомбинирует с ДНК клетки-реципи-ента сайт-специфической рекомбинацией. В частности, бактериофаг передает специфической трансдукцией gal -ген у Е. coli.

абортивная трансдукция – привнесенный фагом фрагмент ДНК бактерии-донора не включается в хромосому бактерии-реципиента, а располагается в её цитоплазме и может в таком виде функционировать. Во время деления бактериальной клетки трансдуцированный фрагмент ДНК-донора может передаваться только одной из двух дочерних клеток, т.е. наследоваться однолинейно и в конечном итоге утрачиваться в потомстве.

Трансдукция обнаружена у E.coli , B. subtilis , сальмонелл, холерного вибриона и др. Передаются самые различные свойства бактерий: устойчивость к антибиотикам, синтез факторов роста, сбраживание углеводов, синтез пенициллиназы и др.

⇐ Предыдущая1234

Дата публикования: 2014-12-10; Прочитано: 871 | Нарушение авторского права страницы

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2018 год.(0.003 с)…

Генетической рекомбинацией называется группа процессов, в ходе которых клеточные механизмы заставляют ДНК изменяться или "переобъединяться" (т.е., рекомбинировать) в похожей (гомологической) последовательности. В ходе этого процесса происходит объединение в пары комплементарных нитей ДНК, что ведёт к физическому обмену хромосомным материалом. Рекомбинация генетической информации производится клеткой в различных целях, включая репарацию повреждённой ДНК, а также внесение в популяцию разнообразия при половом размножении . В некоторых случаях рекомбинация меняет гены , добавляя в популяции новые аллели . С точки зрения креационизма, в общем случае речь идёт о механизме, специально разработанном Господом с целью получения значительного разнообразия, наблюдаемого в пределах каждого из сотворённых видов ; эволюционисты же полагают, будто причиной этого разнообразия являются случайные мутации В то же время, многие реационисты делают оговорку, что ничего нового рекомбинация в генофонд не добавляет. Джонатан Сарфати утверждает:

Биологи открыли целый ряд механизмов, способных вызывать радикальные изменения в количестве данных в ДНК организма: дупликация генов, полиплоидия, инсерции, и др., но всё это неспособно объяснить "эволюцию". Да, при этом количество данных в ДНК может и возрастать, но количество полезной генетической информации не увеличивается - эти механизмы не создают ничего нового.

Теория

Место, которое ген занимает в составе хромосомы , называется локусом . Взяв отдельный экземпляр организма, можно обнаружить в заданном локусе два варианта этого гена. Эти дублирующие формы генов называются аллелями . В ходе мейоза I, когда хромосомы выстраиваются по экватору, две нити хромосомной пары могут физически пересекаться (т. наз. перекрест или кроссинговер), и при этом клетка производит генетическую рекомбинацию. Рекомбинация приводит к новому расположению материнских и отцовских аллелей в той же хромосоме. Хотя те же гены расположены в том же порядке, аллели получаются другими. Этот процесс объясняет, почему потомки одних и тех же родителей могут быть такими разными. Теоретически возможно получение у потомков любой комбинации родительских аллелей, и если у потомка те или иные две аллели объединены, никак не влияет на статистическую вероятность того, что такая же комбинация получится у другого потомка. Этот "независимый ассортимент" аллелей является основой генетического наследования. Но есть одно исключение из данного правила, требующее более подробного объяснения. Частота рекомбинации для различных сочетаний генов неодинакова. Причина этого состоит в том, что на рекомбинацию сильно влияет то, насколько близко один ген расположен к другому. Если два гены в хромосоме расположены близко друг к другу, вероятность их разделения при рекомбинации меньше, чем для генов, расположенных дальше друг от друга. Связи получаются по причине склонности генов к совместному наследованию с учётом их расположения в одной хромосоме. Нарушением равновесия связей называют ситуацию, в которой некоторые сочитания генов или генетических маркеров встречаются в популяции чаще, или, наоборот, реже, чем можно ожидать, принимая в расчёт расстояния между ними. Именно так исследователи ищут ген, вызывающий то или иное заболевание. Они сопоставляют случаи наличия в ДНК той или иной последовательности со случаями этого заболевания. Если они обнаруживают значительную корреляцию между этими событиями, то делают вывод, что приблизились к нахождению той последовательности генов, которую ищут.

Предположения сторонников эволюционизма

Неслучайная рекомбинация

С момента открытия и использования кроссинговеров в генетических картах предполагалось, что они приисходят на случайных расстояниях вдоль хромосомы. Считалось, что частота кроссинговеров напрямую связана с расстояниями между генами, но ряд отрытий показал наличие различных интенсивностей и схем рекомбинации, что потребовало пересмотреть расстояния на картах. Теперь хорошо известно, что частота рекомбинации не является постоянной ни в одной из клеток. В некоторых областях генома она происходит на несколько порядков чаще, чем в других. Такие "гиперактивные" области назвали "горячими точками", а неактивные, где обмена почти или совсем не происходит - "холодными". . Частота случаев рекомбинации также неслучайна. Значительное различие по этому параметру наблюдается при сравнении клеток зародышевой линии с соматическими. Например, частоту митотической рекомбинации у гриба Устилаго майдис оценивают в 2.9 x 10 7 , а при мейозе наблюдаются значения порядка 1.9 x 10 3 . Зависит частота рекомбинации и от пола. При помощи стандартного анализа связей было подтверждено, что у женского пола интенсивность рекомбинации выше, чем у мужского, и во втором случае она чаще происходит в дистальной части хромосомы. Применяя эти и другие методы по отдельности, исследователи убедились в заметном межиндивидуальном различии параметров рекомбинации на малых расстояниях . Другие исследователи продемонстрировали влияние фоновых явлений на частоту рекомбинации, используя иммуноокрашивание для получения доступа к схемам мейотического обмена. Обнаружено, что часто случаи кроссинговера распределены не случайно, и имеет место т. наз. позитивная интерференция (ситуация, когда один кроссинговер снижает вероятность других в смежных областях - прим. перев.). . В дополниние к случаям обмена в ходе деления клеток, генетическая рекомбинация участвует и в других формах внесения изменений в ДНК. Например, она вызывается либо подавляется, как функция, заранее заложенная в клетку, в ходе дифференциации и развития. Она также используется для безошибочной репарации ДНК, в этом случае предотвращая непреднамеренную изменчивость. Рекомбинация поддерживает целостность генома, исправляя целый ряд разновидностей повреждений в ДНК Гомологическая рекомбинация стимулируется двухцепочечными разрывами на любом этапе клеточного цикла, а также отвечае за выполнение удалений, дупликаций и транслокаций между диспергированными гомологами, которые часто являются реакциями на стресс Характерные подробности точной последовательности гомологии, требуемой для рекомбинации, остаются в основном неизвестными, но множество функций, выполняемых этими процессами, позволяет считать их основным механизмом, ответственных за практически все формы внесения изменений в последовательность, а также её поддержания.

Новые аллели

Недавно исследователями был признан ещё один вид генетической рекомбинации, имеющий общие механизмы с мейотическими кроссинговерами, и с большой вероятностью отвечающей за формирование новых аллелей . Этот процесс, названный генной конферсией, использует шаблонную ДНК для внесение изменений в активные последовательности. В его ходе псевдогены, которые в прошлом часто называли "мусорной ДНК", часто используются для внесения этих изменений Генную конверсию в большинстве случаев легко отличить от кроссинговеров, поскольку изменяется лишь один из гомологов. Сегодня тщательно задокументировано, что миотическая рекомбинация через генную конверсию способна создавать генетически изменённые клетки, и исследователи предполагают, что этот процесс способен вести к получению гена с новыми функциями за счёт перестановки различных частей родительских рамок считывания . Репарация ДНК также происходит, когда уцелевшая копия из сестринской хроматиды или гомологической хромосомы используется для замены повреждённой области (избыточность, приблизительно как в зеркальном RAID-массиве - прим. перев.). Генную конверсию теперь считают ответственной за проведение многих изменений, которые раньше приписывали другим механизмам репарации либо[[мутация]м].

Кроссинговер - это обмен между двумя гомологическими областями, но в ходе генной конверсии изменяется лишь один из гомологов. Остальные области той же хромосомы вместо этого обычно используются для конверсии гена, и тем самым вводят в популяцию новые аллели. Этот механизм отвечает за создание новых аллелей в иммуноглобулины, локусы MHC, и др.

Изменчивые гены

Многообразие в пределах популяции имеет место, поскольку гены, участвующие в получении характеристики, содержатся в ряде аллелей, и потому наследственные черты полиморфны, т.е., имеются более, чем в одной форме. У близкородственных организмов обычно очень много аллелей. Например локус гена цистатионина бета-синтазы хорошо изучен у людей, и, например, Exon 8 имеет значительную частоту изменений единичных нуклеотид . Оценивается, что приблизительно 5 % людей европиоидной расы имеют вариации в этой области . Эволюционисты в общем случае полагают, будто новые аллели являются результатами случайных мутаций , постепенно накопленных за миллионы лет. Но живущие популяции были подвергнуты проверке всего лишь через десятилетия после ярко выраженных проявлений "эффекта бутылочного горлышка " - и генетическое разнообразие при этом оказывалось удивительно большим. Это весомое подтверждение наличия механизма быстрого восстановления изменчивости, но исследовано это явление недостаточно. Объяснение для этого восстановления разнообразия было предложено после открытия того, что в любом геноме много генов, гиперизменчивых по сравнению с другими. Не все гены изменчивы. Большинство генов в геноме относится к генам "домашнего хозяйства), и в основном остаются неизменными даже при сравнении двух сильно различающихся между собой особей. А изменчивые гены значительно изменяются от одного поколения к другому, и для каждого из них схема изменения неслучайна . Характеризация изменчивых генов к настоящему моменту показывает, что это разнообразие возникает систематически через генную конверсию под строгим контролем со стороны клетки. Например, у изменчивых генов есть "горячие" и "холодные" точки активности, аналогичные имеющим место при генных кроссинговерах в ходе мейоза . Да и разнообразие они часть проявляют большее, чем нейтральные области между рамками считывания. . Аналогичным образом стало известно, что изменчивые гены сохраняют кодоны в определённых местах в пределах изменяющейся области . Преобладание несинонимичных замещений над синонимичными дополнительно подтверждает неслучайность . Всё отчётливее назревает вопрос: а действительно ли изменчивость - результат случайных мутаций, как полагают эволюционисты?

Адаптация

Адаптация к определённой среде обитания или нише влечёт за собой во многом включает в себя неохарактеризованные модификации генома, и многое из того, что изучено о генетической наследственности, сформулировано теоретиками, не признающими, что клетки специально спроектированы таким образом, чтобы осуществлять эти изменения целенаправленно. Способность клетки производить новые аллели в течение длительного времени понимали неправильно, поскольку результаты этих процесов списывали на источник, независимый от предназначения клетки - мутацию. Механизм действия этого вида генной конверсии ещё не полностью изучен, но уже чётко показывает, что клетка способна заданным образом вносить изменения в гены, и тем самым быстро увеличивать количество аллелей в популяции. Дальнейший сбор сведений станет дополнительным весомым свидетельством того, что именно заданная конструкция клеток отвечает за генетическую изменчивость , а также результирующую способность приспосабливаться.

Источники

.Генетическая изменчивость заложена изначально - Крис Эшкрафт , Journal of Creation № 18(2), 2004 год.
Сарфати, Джонатан.. Опровергаем эволюцию - 2 Глава 5. Некоторые мутации якобы идут на пользу . Greenforest AR: Master Books, 2002 год. (p104)

Значение слова РЕКОМБИНАЦИЯ в Энциклопедии Биология

РЕКОМБИНАЦИЯ

Перераспределение (перекомбинирование) генетического материала родителей, в результате чего у потомков появляются новые сочетания генов, определяющие новые сочетания признаков. Другими словами, сочетание признаков у потомков никогда не повторяет сочетания признаков ни одного из родителей. Рекомбинация - основа комбинативной изменчивости, обеспечивающей бесконечное разнообразие особей внутри вида и неповторимость каждой из них. У эукариотических организмов, размножающихся половым путём, рекомбинация происходит в мейозе при независимом расхождении хромосом и при обмене гомологичными участками между гомологичными хромосомами (кроссинговере). Возможна и т. н. незаконная рекомбинация, когда структурные перестройки затрагивают негомологичные хромосомы. Рекомбинации бывают и в половых, и, гораздо реже, в соматических клетках. У прокариот (бактерий) и у вирусов существуют специальные механизмы обмена генами. Таким образом, рекомбинации - универсальный способ повышения генотипической изменчивости у всех организмов, создающий материал для естественного отбора. См. также изменчивость, Менделя законы.

Энциклопедия Биология. 2012

Смотрите еще толкования, синонимы, значения слова и что такое РЕКОМБИНАЦИЯ в русском языке в словарях, энциклопедиях и справочниках:

РЕКОМБИНАЦИЯ
в физике -1) рекомбинация ионов и электронов в ионизованных газах и плазме - образование нейтральных атомов и молекул из свободных …
РЕКОМБИНАЦИЯ в Современном энциклопедическом словаре:
РЕКОМБИНАЦИЯ
(от ре... и позднелатинского combinatio - соединение) (генетическое), появление новых сочетаний генов, ведущих к новым сочетаниям признаков у потомства. У …
РЕКОМБИНАЦИЯ в Энциклопедическом словарике:
и, ж. 1. спец. Расположение составных частей чего-нибудь в новом порядке. 2. физ. Процесс, обратный ионизации: превращение ионов с противоположными …
РЕКОМБИНАЦИЯ
РЕКОМБИН́АЦИЯ в физике: Р. ионов и электронов в ионизованных газах и плазме - образование нейтральных атомов и молекул из свободных …
РЕКОМБИНАЦИЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
РЕКОМБИН́АЦИЯ (от ре... и позднелат. соmbinatio - соединение) (генетич.), появление новых сочетаний генов, ведущих к новым сочетаниям признаков у …
РЕКОМБИНАЦИЯ в Полной акцентуированной парадигме по Зализняку:
ре`комбина"ция, ре`комбина"ции, ре`комбина"ции, ре`комбина"ций, ре`комбина"ции, ре`комбина"циям, ре`комбина"цию, ре`комбина"ции, ре`комбина"цией, ре`комбина"циею, ре`комбина"циями, ре`комбина"ции, …
РЕКОМБИНАЦИЯ в Новом словаре иностранных слов:
(ре... + лат. combinatio соединение) 1) расположение составных частей чего-л. в новом порядке; 2) физ. процесс, обратный ионизации; при рекомбинации …
РЕКОМБИНАЦИЯ в Словаре иностранных выражений:
[ре... + лат. combinatio соединение] 1. расположение составных частей чего-л. в новом порядке; 2. физ. процесс, обратный ионизации; при рекомбинации …
РЕКОМБИНАЦИЯ в словаре Синонимов русского языка:
воссоединение, перераспределение, …
РЕКОМБИНАЦИЯ в Словаре русского языка Лопатина:
рекомбин`ация, …
РЕКОМБИНАЦИЯ в Полном орфографическом словаре русского языка:
рекомбинация, …
РЕКОМБИНАЦИЯ в Орфографическом словаре:
рекомбин`ация, …
РЕКОМБИНАЦИЯ в Современном толковом словаре, БСЭ:
(от ре … и позднелат. сombinatio - соединение), в генетике - появление новых сочетаний генов, ведущих к новым сочетаниям признаков …
РЕКОМБИНАЦИЯ ХРОМОСОМ в Медицинских терминах:
обмен участками гомологичных хромосом, приводящий к появлению хромосом с новым сочетанием …
РЕКОМБИНАЦИЯ ВИРУСОВ в Медицинских терминах:
обмен генетическими структурами между двумя вирусными геномами, происходящий в смешанно-зараженных …
РЕКОМБИНАЦИЯ БАКТЕРИЙ в Медицинских терминах:
(ре- + лат. combino связывать, сочетать) обмен участками бактериальных хромосом в результате конъюгации, трансформации или трансдукции, приводящий к появлению бактериальных …
КЛЕТКА: МИТОЗ - Д. РАСЩЕПЛЕНИЕ И РЕКОМБИНАЦИЯ в Словаре Кольера:
К статье КЛЕТКА: МИТОЗ Особенность мейоза состоит в том, что при клеточном делении экваториальную пластинку образуют пары гомологичных хромосом, а …
МЕЙОЗ в Энциклопедии Биология:
(деления созревания, период созревания), этап в образовании половых клеток; состоит из двух последовательных делений исходной диплоидной клетки (содержат два набора …
КРОССИНГОВЕР в Энциклопедии Биология:
, взаимный обмен участками между гомологичными (попарными) хромосомами. Происходит в процессе клеточных делений - мейоза и (гораздо реже) митоза на …
ГЕН в Энциклопедии Биология:
, единица генетического материала; участок молекулы ДНК (у некоторых вирусов - РНК), определяющий (кодирующий) возможность развития какого-либо признака. Ген …
СТОЛКНОВЕНИЯ АТОМНЫЕ в Большом энциклопедическом словаре:
столкновения атомов, молекул, электронов и ионов друг с другом. Различают упругие атомные столкновения, при которых внутренние состояния частиц не изменяются, …
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЯД В ГАЗАХ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
разряд в газах, прохождение электрического тока через газовую среду под действием электрического поля, сопровождающееся изменением состояния газа. Многообразие условий, определяющих …

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 2 23 , 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%.

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 мозаицизмом по соответствующим признакам. Мейотический кроссинговер происходит в профазе I мейоза, когда хромосомы представлены четырьмя хроматидами, 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 запирателей 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 обнаружимым 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 реципиентных 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.

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.

Библиография: Бреелер С. Е. Молекулярная биология, с. 305, JI., 1973, библиогр.; Гершензон С. М. Основы современной генетики, с. 93, Киев, 1979; Кушев В. В. Механизмы генетической рекомбинации, Л., 1971, библиогр.; Ме 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.

В. И. Иванов; В. П. Щипков (бакт.).

РЕКОМБИНАЦИЯ

РЕКОМБИНАЦИЯ (от ре... и позднелат. combinatio - соединение) (генетич.), перераспределение генетич. материала родителей в потомстве, приводящее к наследственной комбинативной изменчивости живых организмов. В случае несцепленных генов (лежащих в разных хромосомах; см. Сцепление генов) это перераспределение может осуществляться при свободном комбинировании хромосом в мейозе, а в случае сцепленных генов - обычно путём перекреста хромосом - кроссинговера. Р.- универсальный биологич. механизм, свойственный всем живым системам - от вирусов до высших растений, животных и человека. Вместе с тем в зависимости от уровня организации живой системы процесс Р. имеет ряд особенностей. Проще всего Р. происходит у вирусов: при совместном заражении клетки родственными вирусами, различающимися одним или несколькими признаками, после лизиса клетки обнаруживаются не только исходные вирусные частицы, но и возникающие с определённой средней частотой частицы-рекомбинанты с новыми сочетаниями генов. У бактерий существует неск. процессов, заканчивающихся Р.: конъюгация, т. е. объединение двух бактериальных клеток протоплазменным мостиком и передача хромосомы из донорской клетки в реципиентную, после чего происходит замена отд. участков хромосомы реципиента на соответствующие фрагменты донора; трансформация - передача признаков молекулами ДНК, проникающими из среды сквозь клеточную оболочку; трансдукция - передача генетич. вещества от бактерии-донора к бактерии-реципиенту, осуществляемая бактериофагом. У высших организмов Р. происходит в мейозе при образовании гамет: гомологичные хромосомы сближаются и устанавливаются бок о бок с большой точностью (т. н. синапсис), затем происходит разрыв хромосом в строго гомологичных точках и перевоссоединение фрагментов крест-накрест (кроссинговер). Результат Р. обнаруживается по новым сочетаниям признаков у потомства. Вероятность кроссинговера между двумя точками хромосом приблизительно пропорциональна физич. расстоянию между этими точками. Это даёт возможность на основании экспериментальных данных по Р. строить генетические карты хромосом, т. е. графически располагать гены в линейном порядке в соответствии с их расположением в хромосомах, и притом в определённом масштабе. Молекулярный механизм Р. детально не изучен, однако установлено, что ферментативные системы, обеспечивающие Р., принимают участие и в таком важнейшем процессе, как исправление повреждений, возникающих в генетич. материале (ей. Репарация генетическая). После синапсиса вступает в действие эндонуклеаза - фермент, осуществляющий первичные разрывы в цепях ДНК. По-видимому, эти разрывы у мн. организмов происходят в структурно детерминированных участках-рекомбинаторах. Далее происходит обмен двойными или одинарными цепями ДНК и в заключение спец. синтетич. ферменты- ДНК-полимеразы - заполняют бреши в цепях, а фермент лигаза замыкает последние ковалентные связи. Ферменты эти выделены и изучены лишь у нек-рых бактерий, что позволило приблизиться к созданию модели P. in vitro (в пробирке). Одно из важнейших следствий Р.- образование реципрокного потомства (т. е. при наличии двух аллельных форм генов АВ и ав должны получиться два продукта Р.- Ав и аВ в равных кол-вах). Принцип реципрокности соблюдается, когда Р. происходит между достаточно удалёнными точками хромосомы. При внутригенной Р. это правило часто нарушается. Последнее явление, изученное гл. обр. на низших грибах, наз. генной конверсией. Эволюционное значение Р. заключается в том, что благоприятными для организма часто оказываются не отд. мутации, а их комбинации. Однако одноврем. возникновение в одной клетке благоприятного сочетания из двух мутаций маловероятно. В результате Р. осуществляется сочетание мутаций, принадлежащих двум независимым организмам, и тем самым ускоряется эволюционный процесс.