Механізм кросинговеру

Відомі два типи кросинговеру: мітотичний і мейотичний.

Мітотичний кросинговер (Mitotic crossover)-явище скоріше шкідливе, ніж корисне. Він підвищує рівень гомозиготності клітин, що може, зокрема, стати причиною раку.

Для запобігання мітотичного кросинговеру у еукаріотів є спеціальні анти-кроссоверні білки, в тому числі BLM (Bloom syndrome helicase).

В механізмі мейотичного кросинговеру у еукаріотів задіяні елементи механізму, пов'язаного з заліковуванням подвійних розривів, загального для прокаріотів і еукаріотів.

Кросинговер стає можливим тільки після того, як забезпечено спарування і вирівнювання гомологів. За висловом П.М. Бородіна, першим етапом спаровування гомологів є грубе вирівнювання «по штрих-коду» - один одного «узнають» ділянки ДНК, що мають подібний набір білків хроматину, який багато в чому визначається первинною структурою. До таких ділянок насамперед належать теломерні і центромерні ділянки, блоки гетерохроматину.

Слідом за цим настає тонке вирівнювання по гомології ДНК, яке зазвичай завершується утворенням синаптонемного комплексу. Механізм вирівнювання по гомології ДНК заслуговує особливої ​​уваги. На стадії лептотени білок Spo11, гомологічний топоізомеразі архебактерій, вносить в ДНК множинні двонитчасті розриви (від кількох сотень до кількох тисяч).

Потім з розривами зв'язується білок RAD51 і розплітає ДНК на певну довжину,( У дріжджів - SRS2, мутанти якого мають підвищену інтенсивність кросинговеру і більш чутливі до мутагенів). Далі розрив розширюється з кожної сторони шляхом руйнування того ланцюга ДНК, який в цьому місці має 5'-кінець, так, що на деяку відстань від розриву ДНК виявляється однонитчастою і закінчується 3'-кінцем. Один з таких одноланцюгових кінців зв'язується з білками RAD51 і RAD54, інший - з білком DMC1.

Одноланцюговий кінець ДНК активується і починає блукати, поки не виявить подвійний ланцюг ДНК, що містить комплементарну ділянку. При цьому він здатний витісняти з подвійного ланцюга ДНК ділянку, косплементарну йому і гомологічну собі, і сам утворювати дуплекс з нею. Тим самим він здійснює інвазію (single end invasion). Все це показано на спрощеній схемі:

Рис.1. Single end invasion

Вслід за інвазійним кінцем, в нову подвійну спіраль-акцептор залучається набагато більша довжина інвазійної нитки ДНК, при цьому подвійна спіраль-донор розплітається. Цей процес має назву міграція гілки (branch migration). Витіснена з подвійної спіралі-акцептора одноланцюгова ділянка ДНК утворює так звану D-петлю (D-loop), яка знаходить одноланцюгову ділянку ДНК-донора і утворює з ним дуплекс. При міграції гілки D-петля також розширюється, подвійна спіраль ДНК-донора розплітається, і обидва дуплекси, утворені ланцюгами ДНК від різних хроматид, розширюються (надалі називатимемо «гетеродуплексами»). Міграція гілки, утворення D-петлі і розширення гетеродуплексів поширюється і по іншу сторону від точки ініціації обміну (точки інвазії, відповідній точці початкового дволанцюгового розриву), так що D-петля виявляється приблизно симетричною до цієї точки.

В результаті ми отримуємо два ДНК-дуплекси, утворених ланцюгами ДНК від двох різних хроматид. Однак ці дуплекси мають однонитчасті проломи, відповідні первинному розширенню двонитчастого розриву. У цьому місці другий ланцюг ДНК добудовується по матриці наявної. В точці, де одноланцюгова ділянка на ДНК-донорі закінчується (зліва на наших схемах), знову синтезований ланцюг зшивається з 5-кінцем іншого ланцюга ДНК-донора, і у нас виходить симетрична з точки зору ланцюгів ДНК проміжна структура: ділянка, де два ДНК дуплекси утворені ланцюгами різних хроматид, обмежена з кожного боку місцями, де обидві «чужі» ланцюги, перехрещуючись, повертаються в свої хроматиди. Такий перехрест ланцюгів ДНК від різних дуплексів називається структурою Холлідея (Holliday structure) або напівхіазмою, так що проміжна структура обмежена з кожного боку такою структурою Холлідея і іноді сама називається подвійною структурою Холлідея (double Holliday structure).

Нижче показані два крайні варіанти проміжних структур, обидва з яких зустрічаються у сумчастих грибів. Зверху показана проміжна структура, характерна для дріжджів. У ній практично відсутня міграція гілок. Знизу показана проміжна структура сумчастого гриба Sordaria fimicola, у якої довжина міграції гілок багато перевершує величину розширених однонитчастих розривів (стрілками показані 3'-кінці ).

Рис.2. Проміжні структури в сумчастих грибів

У мейозі інвазія в основному відбувається в молекулі ДНК гомолога, а не сестринської хроматиди. Дослідження на дріжджях показали, що інвазії в сестринську хроматиду механічно заважають вже сформованому до того часу осьового елементу синаптонемного комплексу. В результаті знаходження сестринської хроматиди в якості ДНК, гомологічної інвазивному кінцю, виявляється менш імовірним, а утворені сестринські гетеродуплекси - менш стабільними. Тому з кінетичних причин переважна кількість проміжних структур формується між несестринськими хроматидами гомологів. У тих випадках, коли гомолог відсутній - наприклад у випадку делецій або унівалентів (неспарених хромосом), наприклад В-хромосом - то у відсутності «більш легкої мішені» інвазія в кінці кінців відбувається і в сестринську хроматиду. В результаті, наприклад на унівалентних В-хромосомах, в профазі мейозу можна спостерігати рекомбінаційні вузлики. Ми пам'ятаємо, що в мітотичному кросинговері, де синаптонемний комплекс відсутній зовсім, сестринська хроматида виявляється більш кращим (приблизно на два порядки!) партнером для обміну.

Подібні статті

Клас Двостулкові молюски
Тваринний світ досить різноманітний. Тварини, а особливо безхребетні, зустрічаються майже у всіх біосферних оболонках. В даний час посилено освоювання різних екосистем, значна частина досліджень припадає на водні екосистеми. Світ безхр ...

Біологічний контроль збудників хвороб рослин
Актуальність. Протягом останнього часу в фітовірусологи, як і в інших молекулярно-біологічних дисциплінах, спостерігається значний інтерес до розвитку досліджень на популяційному та еколого-популяційному рівні, і ця тенденція є загальною для багатьох ...