Рекомбинация на гени: механизми на процеса

Генната рекомбинация е обмен на генетичен материал между различни организми. Тя води до производство на потомство с комбинации от признаци, различни от тези, които се срещат при двамата родители. Повечето от тези генетични обмени се случват по естествен път.

Как се случва това

Рекомбинацията на гените се инициира от разделянето на гените при формирането на гаметите по време на мейозата, оплождането и кръстосването. Кръстосването позволява на алелите в молекулите на ДНК да променят позицията си от един хомоложен сегмент на хромозомата към друг. Рекомбинацията е причина за генетичното разнообразие на даден вид или популация.

Структура на хромозомите

Хромозомите се намират в ядрото на клетката. Те се образуват от хроматин - маса от генетичен материал, състояща се от ДНК, която е плътно увита около протеини, наречени хистони. Хромозомата обикновено е едноверижна и се състои от центромерна област, която свързва дългите и късите участъци.

Дублиране на хромозоми

Когато клетката навлезе в жизнения си цикъл, нейните хромозоми се дублират чрез репликация на ДНК в подготовка за делене. Всяка дублирана хромозома се състои от две идентични, наречени сестрински хроматиди. Те са свързани с центромерната област. По време на клетъчното делене се образуват двойки. Те се състоят от по една хромозома (хомоложна) от всеки родител.

Хромозомен обмен

Рекомбинацията на гени чрез кръстосване е описана за първи път от Томас Хънт Морган. При еукариотите това се улеснява от хромозомния кросоувър. Процесът на кръстосване води до появата на потомство с различни комбинации от гени и може да доведе до появата на нови химерни алели. Това позволява на полово размножаващите се организми да избегнат зъбчатата брадва на Мьолер, при която геномите на асексуалната популация натрупват генетични делеции по необратим начин.

По време на профаза I четирите хроматиди се съединяват плътно. При това образуване хомоложните участъци на две молекули могат да се свържат близко един до друг и да обменят генетична информация. Рекомбинацията на гени може да настъпи навсякъде по протежение на хромозомата. Честотата му между две точки зависи от разстоянието, което ги разделя.

Значението на

Проследяването на движението на гените в резултат на кръстосването е много полезно за генетиците. Това дава възможност да се определи на какво разстояние един от друг се намират двата гена в хромозомата. Науката може също така да използва този метод, за да заключи за наличието на определени гени. Едната молекула от свързаната двойка служи като маркер за откриване на присъствието на другата молекула. Това се използва за откриване на наличието на патогенни гени.

Честотата на рекомбинация между два наблюдавани локуса е стойността на кросоувъра. Тя зависи от взаимното разстояние между наблюдаваните генетични огнища. За всеки фиксиран набор от условия околна среда Рекомбинацията в определен регион от структурата на връзката (хромозомата) има тенденция да бъде постоянна. Същото важи и за стойността на кръстосване, която се използва за създаване на генетични карти.

Мейоза

Кръстосването на хромозомите включва размяна на двойки хромозоми, наследени от всеки родител. Важна роля в този процес играе мейозата, която е в основата на рекомбинацията на гените. Молекулярните модели на този процес са се развивали през годините с натрупването на доказателства. Новият модел доказва, че две от четирите хроматиди, които се намират в началото на мейозата (профаза I), са сдвоени една с друга и могат да си взаимодействат. В него се извършва рекомбинация на хромозоми и гени. Въпреки това обясненията за адаптивната функция на мейозата, които се фокусират единствено върху кръстосването, са недостатъчни за повечето обменни събития.

Митоза и нехомоложни хромозоми

В еукариотните клетки кръстосване може да се случи и по време на митоза. Получават се две клетки с идентичен генетичен материал. Всяко кръстосване между хомоложни хромозоми при митоза не води до нова комбинация от гени.

Пресичането на нехомоложни хромозоми може да доведе до мутация, известна като транслокация. Това се случва, когато сегмент от хромозомата се отдели и се премести на нова позиция върху нехомоложна молекула. Този тип Мутациите могат да могат да бъдат опасни, тъй като често води до развитие на ракови клетки.

Преобразуване на гени

При генната рекомбинация част от генетичния материал се копира от една хромозома в друга, без да се променя донорът. Преобразуването на гените се случва с висока честота на действителното място. Това е процесът, при който последователността на ДНК се копира от една спирала в друга. Рекомбинацията на гени и хромозоми е изследвана при кръстосване на гъби, при което е удобно да се наблюдават четири продукта на отделна мейоза. Събитията, свързани с преобразуване на гени, могат да се разграничат като отклонения в деленето на отделните клетки от нормалното разпределение 2:2.

Генетично инженерство

Рекомбинацията на гени може да бъде изкуствена и преднамерена. Използва се за различни фрагменти от ДНК, често от различни организми. По този начин се получава рекомбинантна ДНК. Изкуствената рекомбинация може да се използва за добавяне, премахване или промяна на гените на даден организъм. Този метод е важен за биомедицинските изследвания в областта на генетичното и протеиновото инженерство.

Рекомбинантно възстановяване

По време на митозата и мейозата ДНК, увредена от различни екзогенни фактори, може да бъде възстановена чрез хомоложна репарация (HSR). При хора и гризачи генните продукти са недостатъчни, необходими за HSV по време на мейоза, причинява стерилитет.

При бактериите трансформацията е процес на прехвърляне на гени, който обикновено се извършва между отделни клетки от един и същи вид. Тя включва интегриране на донорска ДНК в хромозомата на реципиента чрез рекомбиниране на гени. Този процес е адаптация за възстановяване на увредени клетки. Трансформацията може да е от полза за патогенните бактерии, тъй като позволява да се поправят ДНК уврежданията, които възникват във възпалителната и окислителната среда, свързана с инфекцията на гостоприемника.

Когато два или повече вируса, всеки от които съдържа смъртоносно увреждане на генома, заразят една и съща клетка-гостоприемник, геномите могат да се чифтосват помежду си и да преминат през HSV, за да създадат жизнеспособно потомство. Този процес се нарича реактивиране на множеството. Изследван е при няколко патогенни вируса.

Рекомбинация в прокариотни клетки

Прокариотните клетки, като едноклетъчните бактерии без ядро, също се подлагат на генетична рекомбинация. При този процес гените на една бактерия се включват в генома на друга бактерия чрез кръстосване. Бактериалната рекомбинация се извършва чрез процесите конюгация, трансформация или трансдукция.

При конюгацията една бактерия се слива с друга чрез протеинова тръба. В процеса на трансформация прокариотите вземат ДНК от околната среда. Те най-често произлизат от мъртви клетки.

При трансдукцията ДНК се обменя чрез вирус, който заразява бактерии, известен като бактериофаг. След като чуждата клетка бъде интернализирана чрез конюгация, трансформация или трансдукция, бактерията може да вмъкне нейните сегменти в собствената си ДНК. Този трансфер се осъществява чрез кръстосване и води до създаването на рекомбинантна бактериална клетка.