Рекомбінація генів – це обмін генетичним матеріалом між різними організмами. Вона призводить до народження потомства з комбінаціями ознак, відмінних від тих, які зустрічаються у обох батьків. Велика частина таких генетичних обмінів відбувається природним шляхом.
Як відбувається
Рекомбінація генів починається в результаті поділу генів під час утворення гамет при мейозі, заплідненні та схрещуванні. Перетин дозволяє алелей на молекулах ДНК змінювати положення від одного гомологичного сегмента хромосоми до іншого. Рекомбінація відповідає за генетичну різноманітність виду чи популяції.
Структура хромосом
Хромосоми розташовані всередині ядра клітин. Вони формуються з хроматину – маси генетичного матеріалу, що складається з ДНК, яка щільно обвита навколо білків, званих гистонами. Хромосома зазвичай одноланцюжкова і складається з центромерной області, яка з’єднує довгу і коротку області.
Дублювання хромосом
Коли клітина входить у свій життєвий цикл, її хромосоми дублюються через реплікацію ДНК у рамках підготовки до поділу. Кожна дубльована хромосома складається з двох ідентичних, званих сестринськими хроматидами. Вони пов’язані з центромерной областю. При діленні клітин утворюються парні набори. Вони складаються з однієї хромосоми (гомологічною) від кожного з батьків.
Хромосомний обмін
Рекомбінація генів при кросинговері вперше була описана Томасом Хантом Морганом. У еукаріотів вона полегшується хромосомним перетином. Процес схрещування призводить до того, що потомство має різні комбінації генів і може виробляти нові химерні алелі. Це дозволяє організмам, размножающимся статевим шляхом, уникати храповика Меллера, в якому геноми бесполой популяції накопичують генетичні делеції незворотнім чином.
Під час профазы I чотири хроматиди щільно з’єднані. В цьому утворенні гомологічні сайти на двох молекулах можуть тісно злучатися один з одним і обмінюватися генетичною інформацією. Рекомбінація генів може відбуватися в будь-якому місці вздовж хромосоми. Її частота між двома точками залежить від відстані, що розділяє їх.
Значення
Відстеження руху генів у результаті кросоверів виявилося дуже корисним для генетиків. Це дає можливість визначити, наскільки далекі один від одного два гена в хромосомі. Наука також може використовувати цей метод для висновку про наявність певних генів. Одна молекула в пов’язаної парі служить маркером для виявлення наявності іншої. Це використовується, щоб виявити присутність хвороботворних генів.
Частота рекомбінації між двома спостережуваними локусами є значенням перетину. Вона залежить від взаємного відстані спостережуваних генетичних вогнищ. Для будь-якого фіксованого набору умов навколишнього середовища рекомбінація в певній галузі структури зв’язків (хромосоми) має тенденцію бути постійною. Те ж саме справедливо для значення перетину, яке використовується при створенні генетичних карт.
Мейоз
Хромосомний кросовер включає обмін парними хромосомами, успадкованими від кожного з батьків. Мейоз, як основа рекомбінації генів, грає в цьому процесі важливу роль. Молекулярні моделі цього процесу еволюціонували з роками по мірі накопичення відповідних доказів. Нова модель демонструє: два з чотирьох хроматидов, присутніх на початку мейозу (профаза I), спарені один з одним і здатні взаємодіяти. У ній має місце рекомбінація хромосом і генів. Однак пояснення адаптивної функції мейозу, які фокусуються виключно на перетині, недостатні для більшості подій обміну.
Мітоз та негомологичные хромосоми
У эукариотических клітинах схрещування також може відбуватися під час мітозу. При цьому утворюються дві клітини з ідентичним генетичним матеріалом. Будь-кросовер, який відбувається між гомологічними хромосомами в митозе, не виробляє нову комбінацію генів.
Перетин, яке відбувається в негомологичных хромосомах, може викликати мутацію, відому як транслокація. Вона відбувається, коли сегмент хромосоми відокремлюється від і переміщується в нове положення на негомологічної молекулі. Цей тип мутації може бути небезпечний, так як часто призводить до розвитку ракових клітин.
Конверсія генів
При перетворенні генів частина генетичного матеріалу копіюється з однієї хромосоми в іншу без зміни донора. Конверсія генів відбувається з високою частотою у фактичному місці. Це процес, за допомогою якого послідовність ДНК копіюється з однієї спіралі в іншу. Рекомбінація генів і хромосом вивчалася в грибкових схрещуваннях, де зручно спостерігати чотири продукту окремих мейозов. Події генної конверсії можна відрізнити відхилення в індивідуальному діленні клітин від нормальної сегрегації 2:2.
Генна інженерія
Рекомбінація генів може бути штучною і навмисною. Її використовують на розрізнених фрагментах ДНК, часто з різних організмів. Таким чином виходить рекомбінантна ДНК. Штучна рекомбінація може бути використана для додавання, видалення або зміни генів організму. Цей метод важливий для біомедичних досліджень в області генної та білкової інженерії.
Рекомбинантное відновлення
Під час мітозу і мейозу пошкоджені різними екзогенними факторами ДНК можуть бути врятовані шляхом гомологічною стадії відновлення (ГСВ). У людей і гризунів дефіцит генних продуктів, необхідних для ГСВ під час мейозу, викликає безпліддя.
У бактерій трансформація – це процес передачі генів, який зазвичай відбувається між окремими клітинами одного і того ж виду. Вона передбачає інтеграцію донорської ДНК в хромосому реципієнта шляхом рекомбінації генів. Цей процес є адаптацією для відновлення пошкоджених клітин. Трансформація може принести користь патогенних бактерій, дозволяючи відновлювати пошкодження ДНК, що виникають у запальній, окислювальному середовищі, пов’язаної з інфекцією господаря.
Коли два або більше вірусів, кожен з яких містить смертельні геномні пошкодження, заражають одну і ту ж клітку-господаря, геноми можуть злучатися один з одним і проходити ГСВ для отримання життєздатного потомства. Цей процес називається реактивацией множинності. Він вивчався у декількох патогенних вірусів.
Рекомбінація в клітинах прокариотических
Прокариотические клітини, подібно одноклітинним бактеріям без ядра, також піддаються генетичної рекомбінації. При цьому гени однієї бактерії включаються в геном іншого шляхом схрещування. Бактеріальна рекомбінація здійснюється процесами кон’югації, трансформації або трансдукції.
У кон’югації одна бактерія з’єднується з іншого через білкову трубчасту структуру. У процесі трансформації прокаріоти беруть ДНК з навколишнього середовища. Вони найчастіше відбуваються з мертвих клітин.
При трансдукції ДНК обмінюється через вірус, який заражає бактерії, відомий як бактеріофаг. Як тільки чужорідна клітина интернализируется допомогою кон’югації, трансформації або трансдукції, бактерія може вставляти її сегменти в свою власну ДНК. Ця передача здійснюється шляхом схрещування і призводить до створення рекомбінантної бактеріальної клітини.
