Хромосомный кроссовер - Chromosomal crossover
Хромосомный кроссовер, или пересекая, это обмен генетическим материалом во время половое размножение между двумя гомологичные хромосомы ' несестринские хроматиды что приводит к рекомбинантному хромосомы. Это один из заключительных этапов генетическая рекомбинация, что происходит в пахитены этап профаза I из мейоз во время процесса, называемого синапсис. Синапсис начинается до синаптонемный комплекс развивается и не завершается почти до конца профазы I. Кроссовер обычно происходит, когда совпадающие области на совпадающих хромосомах разрываются и затем повторно соединяются с другой хромосомой.
Теоретически кроссинговер был описан Томас Хант Морган. Он полагался на открытие Франс Альфонс Янссенс который описал это явление в 1909 году и назвал его «хиасматипие».[2] Период, термин хиазма связан, если не идентичен, с хромосомным кроссовером. Морган сразу понял, насколько важна цитологическая интерпретация хиазм Янссенсом для экспериментальных результатов его исследования наследственности хиазм. Дрозофила. Физические основы кроссинговера были впервые продемонстрированы Гарриет Крейтон и Барбара МакКлинток в 1931 г.[3]
Связанная частота кроссинговера между двумя ген места (маркеры ) это значение кроссинговера . Для фиксированного набора генетических и экологических условий, рекомбинация в определенной области структуры связей (хромосома ) имеет тенденцию быть постоянным, и тогда то же самое верно и для значения кроссинговера, которое используется при производстве генетические карты.[4][5]
Происхождение
Существуют две популярные и частично совпадающие теории, объясняющие происхождение кроссинговера, исходя из различных теорий происхождения мейоз. Первая теория основана на идее, что мейоз развился как еще один метод Ремонт ДНК, и, таким образом, кроссинговер - это новый способ замены возможно поврежденных участков ДНК.[нужна цитата ] Вторая теория исходит из идеи, что мейоз развился из бактериальная трансформация, с функцией распространения разнообразия.[6]В 1931 году Барбара МакКлинток открыла триплоидное растение кукурузы. Она сделала ключевые выводы относительно кариотипа кукурузы, включая размер и форму хромосом. МакКлинток использовал профазную и метафазную стадии митоза для описания морфологии хромосом кукурузы, а позже продемонстрировал первую в истории цитологическую демонстрацию кроссинговера в мейозе. Работая со студенткой Харриет Крейтон, МакКлинток также внес значительный вклад в раннее понимание созависимости сцепленных генов.
Теория восстановления ДНК
Кроссинговер и репарация ДНК - очень похожие процессы, в которых задействованы многие из одних и тех же белковых комплексов.[7][8] В своем отчете «Значение реакции генома на вызов» Макклинток изучила кукурузу, чтобы показать, как геном кукурузы изменится сам, чтобы преодолеть угрозы ее выживанию. Она использовала 450 самоопыляемых растений, которые получили от каждого родителя хромосому с разорванным концом. Она использовала модифицированные паттерны экспрессии генов на разных участках листьев ее растений кукурузы, показав, что в геноме прячутся мобильные элементы («контролирующие элементы»), а их подвижность позволяет им изменять действие генов в разных локусах. Эти элементы также могут реструктурировать геном, от нескольких нуклеотидов до целых сегментов хромосомы. Рекомбиназы и примазы закладывают основу нуклеотидов вдоль последовательности ДНК. Один такой конкретный белковый комплекс, который сохраняется между процессами, представляет собой RAD51, хорошо законсервированный белок рекомбиназы, который, как было показано, играет решающую роль в репарации ДНК, а также в кроссинговере.[9] Несколько других генов в D. melanogaster были также связаны с обоими процессами, показывая, что мутанты по этим специфическим локусам не могут подвергаться репарации ДНК или кроссинговеру. К таким генам относятся mei-41, mei-9, hdm, spnA и brca2.[нужна цитата ] Эта большая группа консервативных генов между процессами подтверждает теорию тесной эволюционной взаимосвязи. Кроме того, было обнаружено, что восстановление ДНК и кроссовер благоприятствуют сходным областям хромосом. В эксперименте с использованием радиационное гибридное картирование на пшенице (Triticum aestivum L.) 3B хромосома, кроссинговер и репарация ДНК преимущественно происходят в одних и тех же регионах.[10] Более того, кроссинговер коррелирует с реакцией на стрессовые и вероятные повреждения ДНК. [11][12]
Ссылки на бактериальную трансформацию
Процесс бактериальной трансформации также имеет много общего с хромосомным кроссовером, особенно в формировании выступов на сторонах разорванной цепи ДНК, что позволяет отжиг новой цепи. Сама бактериальная трансформация много раз была связана с репарацией ДНК.[нужна цитата ] Вторая теория исходит из идеи, что мейоз произошел от бактериальная трансформация, с функцией распространения генетического разнообразия.[6] .[13] Таким образом, это свидетельство предполагает, что вопрос заключается в том, связан ли кроссинговер с репарацией ДНК или бактериальной трансформацией, поскольку эти два явления не исключают друг друга. Вероятно, что кроссинговер возник в результате бактериальной трансформации, которая, в свою очередь, возникла в результате репарации ДНК, что объясняет связи между всеми тремя процессами.
Химия
Мейотическая рекомбинация может быть инициирована двухцепочечными разрывами, которые вводятся в ДНК при воздействии повреждающих ДНК агентов,[нужна цитата ] или Spo11 белок.[14] Один или больше экзонуклеазы затем переварить 5 'концов образуются двухцепочечными разрывами с образованием 3’-одноцепочечных хвостов ДНК (см. диаграмму). Специфический для мейоза рекомбиназа Dmc1 и общая рекомбиназа Rad51 покрывают одноцепочечную ДНК с образованием нуклеопротеиновых филаментов.[15] Рекомбиназы катализируют вторжение противоположного хроматида одноцепочечной ДНК с одного конца разрыва. Затем 3’-конец вторгающейся ДНК запускает синтез ДНК, вызывая смещение комплементарной цепи, которая впоследствии отжигается с одноцепочечной ДНК, образованной на другом конце исходного двухцепочечного разрыва. В результате получается структура перекрестный обмен, также известный как Холлидей Джанкшн. Контакт между двумя хроматидами, который вскоре подвергнется кроссинговеру, известен как хиазма. Перекресток Холлидей - это четырехгранный структура, которую могут «тянуть» другие рекомбиназы, перемещая ее по четырехцепочечной структуре.
MSH4 и MSH5
Белки MSH4 и MSH5 образуют гетероолигомерную структуру (гетеродимер ) у дрожжей и человека.[16][17][18] В дрожжах Saccharomyces cerevisiae MSH4 и MSH5 действуют специально для облегчения перехода между гомологичные хромосомы в течение мейоз.[16] Комплекс MSH4 / MSH5 связывает и стабилизирует двойную Праздничные развязки и способствует их превращению в кроссоверные продукты. MSH4 гипоморфный (частично функциональный) мутант С. cerevisiae показали снижение числа кроссоверов на 30% по всему геному, а также большое количество мейозы с необменными хромосомами.[19] Тем не менее, это мутант породил спора модели жизнеспособности, предполагающие, что сегрегация необменных хромосом происходило эффективно. Таким образом, в С. cerevisiae правильная сегрегация, по-видимому, не полностью зависит от кроссоверов между гомологичный пары.
Хиазма
Кузнечик Melanoplus femur-rubrum подвергся острой дозе Рентгеновские лучи на каждом отдельном этапе мейоз, и хиазма частота была измерена.[20] Облучение во время лептотена -зиготена этапы мейоз (то есть до пахитены период, в котором происходит кроссоверная рекомбинация), увеличивает последующую частоту хиазм. Точно так же у кузнечика Chorthippus brunneus Воздействие рентгеновского излучения на стадиях зиготена-ранняя пахитена вызывало значительное увеличение средней частоты клеточных хиазм.[21] Частота хиазм оценивалась на более поздних диплотен-диакинез стадии мейоза. Эти результаты предполагают, что рентгеновские лучи вызывают повреждения ДНК, которые восстанавливаются перекрестным путем, ведущим к образованию хиазмы.
Последствия
В большинстве эукариоты, а ячейка имеет по две версии каждого ген, каждый из которых называется аллель. Каждый родитель передает по одному аллелю каждому потомству. Индивидуальный гамета наследует полный гаплоидный набор аллелей на хромосомах, независимо выбранных из каждой пары хроматиды выстроились на метафазной пластине. Без рекомбинации все аллели этих генов, связанных вместе в одной хромосоме, унаследовались бы вместе. Мейотическая рекомбинация позволяет более независимую сегрегацию между двумя аллелями, которые занимают позиции отдельных генов, поскольку рекомбинация перетасовывает содержание аллелей между гомологичными хромосомами.
Рекомбинация приводит к новому расположению материнских и отцовских аллелей на одной хромосоме. Хотя одни и те же гены появляются в одном порядке, некоторые аллели различаются. Таким образом, теоретически возможно иметь любую комбинацию родительских аллелей в потомстве, и тот факт, что два аллеля появляются вместе в одном потомстве, не оказывает никакого влияния на статистическую вероятность того, что другое потомство будет иметь такую же комбинацию. Этот принцип "независимый ассортимент "генов имеет фундаментальное значение для генетической наследственности.[22]Однако частота рекомбинации на самом деле не одинакова для всех комбинаций генов. Это приводит к понятию "генетическая дистанция ", который является мерой частоты рекомбинации, усредненной по (достаточно большой) выборке родословных. Грубо говоря, можно сказать, что это связано с тем, что на рекомбинацию сильно влияет близость одного гена к другому. Если два гена расположены близко друг к другу на хромосоме вероятность того, что событие рекомбинации разделит эти два гена, меньше, чем если бы они были дальше друг от друга. Генетическая связь описывает склонность генов наследоваться вместе в результате их расположения на одной хромосоме. Нарушение равновесия сцепления описывает ситуацию, в которой некоторые комбинации генов или генетических маркеров встречаются в популяции более или менее часто, чем можно было бы ожидать, если бы они находились на расстоянии друг от друга. Эта концепция применяется при поиске гена, который может вызвать определенные болезнь. Это делается путем сравнения появления определенного Последовательность ДНК при появлении болезни. Когда между ними обнаруживается высокая корреляция, вполне вероятно, что соответствующая последовательность гена действительно ближе.[23]
Негомологичный кроссовер
Переходы обычно происходят между гомологичные регионы соответствия хромосомы, но сходство в последовательности и других факторах может привести к несовпадению выравнивания. Большая часть ДНК состоит из базовая пара последовательности повторяются очень большое количество раз.[24] Эти повторяющиеся сегменты, часто называемые спутниками, довольно однородны среди видов.[24] В течение Репликация ДНК каждая цепь ДНК используется в качестве матрицы для создания новых цепей с использованием частично консервативного механизма; В результате правильного функционирования этого процесса образуются две идентичные парные хромосомы, часто называемые сестрами. Сестра хроматида События кроссовера, как известно, происходят со скоростью нескольких событий кроссовера на клетку на деление в эукариоты. [24] Большинство этих событий включают обмен равными объемами генетической информации, но могут происходить неравные обмены из-за несоответствия последовательностей. Они упоминаются под разными названиями, включая негомологичный кроссовер, неравный кроссовер и несбалансированную рекомбинацию, и приводят к вставка или удаление генетической информации в хромосому. Хотя эти мутации редки по сравнению с событиями гомологичного кроссовера, они радикальны, затрагивая многие места в то же время. Они считаются основной движущей силой поколения дупликации генов и являются общим источником мутация в пределах геном.[25]
Конкретные причины негомологичных кроссоверов неизвестны, но известно несколько влияющих факторов, увеличивающих вероятность неравного кроссовера. Один общий вектор, приводящий к несбалансированной рекомбинации, - это восстановление двухниточные разрывы (DSB).[26] DSB часто восстанавливают с использованием гомологически направленного ремонта, процесса, который включает вторжение в шаблон прядь цепью DSB (см. рисунок ниже). Соседние гомологичные области матричной цепи часто используются для репарации, что может привести к вставкам или делециям в геноме, если негомологичный, но дополнительный используется часть пряди шаблона.[26] Сходство последовательностей играет важную роль в кроссовере - события кроссовера с большей вероятностью происходят в длинных областях близкой идентичности гена.[27] Это означает, что любой участок генома с длинными участками повторяющейся ДНК подвержен перекрестным событиям.
Наличие сменные элементы - еще один влиятельный элемент негомологичного кроссовера. Повторяющиеся участки кода характеризуют сменные элементы; комплементарные, но негомологичные регионы повсеместно встречаются внутри транспозонов. Поскольку хромосомные области, состоящие из транспозонов, имеют большое количество идентичного повторяющегося кода в конденсированном пространстве, считается, что области транспозонов, подвергающиеся перекрестному событию, более склонны к ошибочному дополнительному совпадению;[28] то есть участок хромосомы, содержащий множество идентичных последовательностей, если он подвергнется перекрестному событию, менее уверен в совпадении с идеально гомологичным участком дополнительного кода и более склонен к связыванию с участком кода на немного другая часть хромосомы. Это приводит к несбалансированной рекомбинации, поскольку генетическая информация может быть вставлена или удалена в новую хромосому, в зависимости от того, где произошла рекомбинация.
Хотя мотивирующие факторы, стоящие за неравной рекомбинацией, остаются неясными, элементы физического механизма были выяснены. Исправление несоответствия (MMR) белки, например, являются хорошо известным регуляторным семейством белков, ответственным за регулирование несовпадающих последовательностей ДНК во время репликации и регуляции ускользания.[29] Оперативная цель MMR - восстановление родительского генотипа. В частности, один класс MMR, MutSβ, как известно, инициирует коррекцию несовпадений вставок-делеций длиной до 16 нуклеотидов.[29] Мало что известно о процессе удаления у эукариот, но Кишечная палочка иссечения включают надрез на 5 ’или 3’ нити, после чего ДНК-геликаза и ДНК-полимераза III связываются и генерируют одноцепочечные белки, которые перевариваются экзонуклеазы и прикреплен к пряди лигаза.[29] Множественные пути MMR вовлечены в поддержание стабильности сложного генома организма, и любые из многих возможных сбоев в пути MMR приводят к ошибкам редактирования и исправления ДНК.[30] Следовательно, хотя точно не известно, какие механизмы приводят к ошибкам негомологичного кроссовера, весьма вероятно, что задействован путь MMR.
Смотрите также
- Неравный переход
- Коэффициент совпадения
- Генетическая дистанция
- Независимый ассортимент
- Митотический кроссовер
- Рекомбинантная частота
использованная литература
- ^ Гриффитс, AJF; Гелбарт, ВМ; Миллер, JH; и другие. (1999). «Современный генетический анализ: митотический кроссинговер». Нью-Йорк: У. Х. Фриман.
- ^ Janssens, F.A .; Кошул, Ромен; Циклер, Дениз (июнь 2012 г.). "La Theorie de la Chiasmatypie". Генетика. 191 (2): 319–346. Дои:10.1534 / генетика.112.139725. ISSN 0016-6731. ЧВК 3374304. PMID 22701051.
- ^ Крейтон Х., МакКлинток Б. (1931). «Корреляция цитологического и генетического кроссинговера у Zea Mays». Proc Natl Acad Sci USA. 17 (8): 492–7. Дои:10.1073 / пнас.17.8.492. ЧВК 1076098. PMID 16587654. (Оригинальная бумага)
- ^ Ригер Р. Михаэлис А., Грин М. М. (1976). Глоссарий генетики и цитогенетики: классическая и молекулярная. Гейдельберг - Нью-Йорк: Springer-Verlag. ISBN 978-3-540-07668-1.CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт)
- ^ Кинг Р. К., Странсфилд В. Д. (1998): Словарь генетики. Oxford University Press, Нью-Йорк, Оксфорд, ISBN 0-19-50944-1-7; ISBN 0-19-509442-5.
- ^ а б Bernstein, H; Бернштейн, С (2010). «Эволюционное происхождение рекомбинации при мейозе». Бионаука. 60 (7): 498–505. Дои:10.1525 / bio.2010.60.7.5. S2CID 86663600.
- ^ Дангел, штат Нью-Джерси; Knoll, A; Пухта, H (2014). «MHF1 играет белки группы М комплементации анемии Фанкони (FANCM) -зависимые и FANCM-независимые роли в репарации ДНК и гомологичной рекомбинации у растений». Завод J. 78 (5): 822–33. Дои:10.1111 / tpj.12507. PMID 24635147.
- ^ Сапонаро, М; Каллахан, Д.; Чжэн, X; Либери, Г. (2010). «Cdk1 нацеливается на Srs2 для завершения зависимого от синтеза отжига цепи и содействия рекомбинационной репарации». PLOS Genet. 6 (2): e1000858. Дои:10.1371 / journal.pgen.1000858. ЧВК 2829061. PMID 20195513.
- ^ Эспозито, М. (сентябрь 1978 г.). «Доказательства того, что спонтанная митотическая рекомбинация происходит на двухниточной стадии». Труды Национальной академии наук США. 75 (9): 4436–4440. Дои:10.1073 / пнас.75.9.4436. ЧВК 336130. PMID 360220.
- ^ Кумар, А; Басси, F; По, Э (2012). «Реставрация ДНК и кроссинговер благоприятствуют сходным областям хромосом, обнаруженным в радиационном гибриде Triticum». BMC Genomics. 13 (339): 339. Дои:10.1186/1471-2164-13-339. ЧВК 3443642. PMID 22827734.
- ^ Стейнбок, Ф (2010). «Актуальность окислительного стресса и цитотоксических повреждений ДНК для спонтанного мутагенеза в нереплицирующихся дрожжевых клетках». Mutat Res. 688 (1–2): 47–52. Дои:10.1016 / j.mrfmmm.2010.03.006. PMID 20223252.
- ^ Неделку, М; Марку, О; Michod, RE (2004). «Секс как реакция на окислительный стресс: двукратное увеличение количества активных форм кислорода в клетках активирует половые гены». Proc. R. Soc. B. 271 (1548): 1591–1596. Дои:10.1098 / rspb.2004.2747. ЧВК 1691771. PMID 15306305.
- ^ Шарпантье, X (2010). «Компетенция по индукции антибиотиков и УФ-излучения для естественной трансформации Legionella pneumophila». Журнал бактериологии. 193 (5): 1114–1121. Дои:10.1128 / JB.01146-10. ЧВК 3067580. PMID 21169481.
- ^ Кини, S; Giroux, CN; Клекнер, Н. (1997). «Мейоз-специфические двухцепочечные разрывы ДНК катализируются Spo11, членом широко консервативного семейства белков». Ячейка. 88 (3): 375–84. Дои:10.1016 / S0092-8674 (00) 81876-0. PMID 9039264. S2CID 8294596.
- ^ Sauvageau, S; Стасяк, Аз; Банвиль, I; Плокин, М; Стасяк, А; Массон, Джи (июнь 2005 г.). «Дрожжи Rad51 и Dmc1, две эффективных ДНК-рекомбиназы, образующие спиральные нуклеопротеиновые нити». Молекулярная и клеточная биология. 25 (11): 4377–87. Дои:10.1128 / MCB.25.11.4377-4387.2005. ISSN 0270-7306. ЧВК 1140613. PMID 15899844.
- ^ а б Pochart P, Woltering D, Hollingsworth NM (1997). «Сохранение свойств между функционально различными гомологами MutS в дрожжах». J. Biol. Chem. 272 (48): 30345–9. Дои:10.1074 / jbc.272.48.30345. PMID 9374523.
- ^ Винанд Нью-Джерси, Panzer JA, Колоднер Р.Д. (1998). «Клонирование и характеристика гомологов человека и Caenorhabditis elegans гена Saccharomyces cerevisiae MSH5». Геномика. 53 (1): 69–80. Дои:10.1006 / geno.1998.5447. PMID 9787078.
- ^ Бокер Т., Барусявичюс А., Сноуден Т., Расио Д., Герретт С., Роббинс Д., Шмидт С., Бурчак Дж., Кроче С.М., Коупленд Т., Коватич А.Дж., Фишель Р. (1999). «hMSH5: гомолог MutS человека, который образует новый гетеродимер с hMSH4 и экспрессируется во время сперматогенеза». Рак Res. 59 (4): 816–22. PMID 10029069.
- ^ Кришнапрасад Г.Н., Ананд М.Т., Лин Г., Теккедил М.М., Стейнмец Л.М., Нишант К.Т. (2015). «Вариация частот кроссовера нарушает гарантию кроссовера, не влияя на сегрегацию мейотических хромосом у Saccharomyces cerevisiae». Генетика. 199 (2): 399–412. Дои:10.1534 / генетика.114.172320. ЧВК 4317650. PMID 25467183.
- ^ Черч К., Вимбер Д.Е. (1969). «Мейоз у кузнечика: частота хиазм после повышенной температуры и рентгена». Мочь. J. Genet. Цитол. 11 (1): 209–16. Дои:10.1139 / g69-025. PMID 5797806.
- ^ Вестерман М (1971). «Влияние рентгеновского облучения на частоту хиазм у Chorthippus brunneus». Наследственность. 27 (1): 83–91. Дои:10.1038 / hdy.1971.73. PMID 5289295.
- ^ "генетическая рекомбинация".
- ^ Генетическая рекомбинация
- ^ а б c Смит, Джордж П. (1 января 1976 г.). «Эволюция повторяющихся последовательностей ДНК путем неравного кроссовера». Наука. 191 (4227): 528–535. Дои:10.1126 / science.1251186. JSTOR 1741301. PMID 1251186.
- ^ Граур, Дэн; Ли, Вэнь-Сюн (1 января 2000 г.). Основы молекулярной эволюции. Синауэр. ISBN 9780878932665.
- ^ а б Пухта, Хольгер (1 января 2005 г.). «Ремонт двунитевых разрывов у растений: механизмы и последствия для эволюции генома». Журнал экспериментальной ботаники. 56 (409): 1–14. Дои:10.1093 / jxb / eri025. ISSN 0022-0957. PMID 15557293.
- ^ Метценберг, Ab; и другие. (Май 1991 г.). «Гомологические требования для неравного перехода у людей». Генетика. 128 (1): 143–161. ЧВК 1204444. PMID 2060774.
- ^ Робберехт, Кэролайн; Воет, Тьерри; Эстеки, Масуд Замани; Новаковска, Беата А .; Вермиш, Джорис Р. (3 декабря 2012 г.). «Неаллельная гомологичная рекомбинация между ретротранспозируемыми элементами является движущей силой несбалансированных транслокаций de novo». Геномные исследования. 23 (3): 411–418. Дои:10.1101 / гр.145631.112. ISSN 1088-9051. ЧВК 3589530. PMID 23212949.
- ^ а б c Kunkel, Thomas A .; Эри, Дороти А. (1 января 2005 г.). «Ремонт рассогласования ДНК». Ежегодный обзор биохимии. 74 (1): 681–710. Дои:10.1146 / annurev.biochem.74.082803.133243. PMID 15952900.
- ^ Surtees, J. A., J.A .; Argueso, J.L .; Алани, Э. (2004). «Белки восстановления несоответствия: ключевые регуляторы генетической рекомбинации». Цитогенетические и геномные исследования. 107 (3–4): 146–59. Дои:10.1159/000080593. PMID 15467360. S2CID 19219813.