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

Біологія та екологія бактеріофагів
Надзвичайно важливим серед досягнень мікробіології останньої чверті XIX ст. є відкриття неклітинних форм життя — вірусів. Тоді багато вчених вважали, що бактерії є найменшими і найпростішими організмами, і що саме вони стоять на межі живої ...

Поведінка самців щурів лінії Вістар при різних світлових режимах
В основі життєдіяльності живого організму лежать ритмічність і рухомість його фізіологічних, біохімічних та біофізичних функцій. Це енергетично вигідна і найбільш оптимальна форма існування. Узгодженність у часі і просторі всіх життєзабезп ...