48. Рекомбінація молекули днк та її біологічне значення

Суттєвим моментом існування ДНК у живих системах є не тільки процеси відновлення та збереження інформації, що міститься в послідовності нуклеотидів, а й різноманітні операції, спрямовані на перетасування цієї інформації з метою створення нових комбінацій генів. Серед процесів рекомбінації (recombination), які приводять до генетичного розмаїття, розрізняють такі:

• Гомологічна рекомбінація . обмін ділянками між досить довгими молекулами ДНК із гомологічними послідовностями пар основ. Відбувається в усіх організмів, які розмножуються статевим шляхом, між гомологічними хромосомами при мейозі (кросинговер), а також при мітозі та в прокаріотів . наприклад, після кон’югації двох бактеріальних клітин і проникнення ДНК з однієї в іншу.

• Сайт-специфічна рекомбінація . вирізання / вбудовування однієї молекули ДНК із/в іншу, або зміна орієнтації (інверсія) фрагмента ДНК у межах однієї молекули. Рекомбінація цього типу здійснюється за рахунок упізнання специфічними білками коротких елементів послідовності ДНК.

• Незаконна рекомбінація . об’єднання двох молекул ДНК, які не мають ані гомології, ані специфічних елементів послідовності.

• Переміщення в межах геному мобільних елементів послідовності ДНК.

49. Гіпотеза походження двомембранних органел

До двомембранних органел клітини належать мітохондрії та пластиди. Ці органели характеризуються рядом особливостей. По-перше, як видно з назви, вони оточені двома мембранами — зовнішньою і внутрішньою. По-друге, внутрішня мембрана цих органел є дуже складчастою. Мітохондрії та пластиди мають часткову генетичну автономність, тобто мають власну ДНК, РНК і рибосоми. І хоча ДНК цих органел не вміщує всієї необхідної інформації, усе ж таки частину своїх білків вони синтезують самі. І, по-третє, мітохондрії та пластиди здатні розмножуватися поділом надвоє, причому перед поділом клітини вони приблизно рівномірно розподіляються між дочірніми клітинами.

Проаналізувавши ці особливості, американська дослідниця Лінн Маргеліс у 80-х роках ХХ століття сформулювала симбіотичну гіпотезу походження двомембранних органел клітини (гіпотеза ендосимбіогенезу). Згідно з цією гіпотезою мітохондрії та пластиди колись були прокаріотичними клітинами, що вступили в симбіоз з іншими клітинами. На жаль, поки що не вдається відповісти на запитання, як ці клітини вступали в симбіоз: через паразитизм, хижацтво чи з інших причин. У всякому разі, існує низка підтверджень гіпотези ендосимбіогенезу:

- двомембранні органели клітини близькі за розмірами до клітин прокаріотів;

- деякі бактерії можуть вступати в ендосимбіоз з еукаріотичними клітинами;

- геном мітохондрій і пластид улаштований так само, як і геном прокаріотів: кільцева молекула ДНК, не пов’язана з білками;

- рибосоми мітохондрій і пластид ідентичні прокаріотичним рибосомам за розмірами та властивостями (ряд антибіотиків блокує синтез білка на рибосомах обох видів, але не перешкоджає функціонуванню типових еукаріотичних рибосом);

- мітохондрії та пластиди здатні самостійно розмножуватися шляхом подвійного поділу, збільшуючи свою кількість у зростаючих клітинах.

Проте потрібно сказати, що існують аргументи й проти такої витонченої гіпотези:

+ білоксинтезуючий апарат двомембранних органел має низку відмінностей від такого апарата в прокаріотів;

+ гени мітохондрій і пластид більше схожі на гени еукаріотів (вони містять послідовності ДНК, що повторюються);

+ хоча ці органели й мають часткову автономність, усе ж таки більшість їхніх білків закодовані в ядерній ДНК і синтезуються в цитоплазмі.

Факти становлення теорії. До появи ідей, описаних вище та нижче, існував традиційний погляд на походження та еволюцію еукаріотичних клітин, який заключався в тому, що усі живі організми виникли від єдиної предкової популяції у результаті накопичення різного роду мутацій під дією природнього добору. Ця гіпотеза дістала назву автогенетичної. Проте ця гіпотеза не пояснювала схожості у будові пластид та прокаріотичних клітин, неможливість виникнення цих органел de novo.

Андреас Шімпер звернув увагу на те, що хлоропласти мають певні симбіотичні риси. Таку схожість також підмітили російські ботаніки М. С. Цвєт та А. С. Фамінцин. Ідея, що пластиди виникли ендосимбіотично з синьозелених водоростей, належить Костянтину Мережковському (1905), власне, як і термін симбіогенезис. Ідеї цих дослідників не були сприйняті науковою спільнотою.

Гіпотеза щодо симбіотичного походження мітохондрій була запропонована американським біологом Іваном Валліном (1923), що ознайомився з роботами Портьє.

Ці теорії були відкинуті за їх фантастичністю та непідтвердженістю.

З розвитком досліджень пластидного геному, зокрема, методами електронної мікроскопії, молекулярно-генетичними та біохімічними методами дослідники повернутись до цих ідей.

Повернення та нове обгрунтування ідей ендосимбіозу пов'язане з роботами Лінн Маргуліс. У своєї роботі 1981 року Симбіоз і еволюція клітини вона зазначала, що еукаріотичні клітини виникли як спільноти взаємодіючих організмів, висувається теорія стосовно того, що пластиди виникли від самостійно існуючих бактерій, а мітохондрії набули здатності до ефективного кисневого дихання ще тоді, коли були вільно існуючими бактеріями. Також була висунута гіпотеза щодо походження джгутика від бактерій-спірохет. Остання ідея не отримала підтримки, оскільки будова джгутиків відрізняється від структури прокаріотичних клітин.

Також розглядалася можливість того, що і пероксисоми мають ендосимбіотичне походження, хоча вони і не мають ДНК. Крістіан де Дюв запропонував, що вони, можливо, були першими ендосимбіонтами, що дозволили клітинам витримати зростання кількості вільного молекулярного кисню в атмосфері Землі. Проте, це зараз вважається, що вони були сформовані de novo, а не в результаті симбіотичного походження (2006).

Враховуючи піонерний вклад у розвиток теорії К. С. Мережковського, ендосимбіотична теорія отримала ім'я Мережковського-Маргуліс.

Згідно з гіпотезою Мережковського-Маргуліс, еукаріотична клітина виникла внаслідок кількох ендосимбіозів: гіпотетична прокаріотична анаеробна клітина, що здатна до фагоцитозу, захопила, проте не перетравила аеробну гетеротрофну бактерію, яка перетворилась в мітохондрію. Захоплення ціанобактерії зумовило появу пластиди. Після цього, внаслідок автогенетичного процесу, пов‘язаного з утворенням глибоких інвагінацій плазмалеми, навколо нуклеоїду клітини-господаря утворилось ядро. Далі базальні тіла джгутиків трансформувались у центри організації веретена поділу, внаслідок чого спочатку виник мітоз, а потім мейоз.

Наразі вченими приймається існування синтетичної гіпотези походження еукаріот, що містить риси як автогенетичної, так і ендосимбіотичної теорій та пояснює виникнення еукаріотичної клітини шляхом послідовних симбіозів, самостійного виникненя та вдосконалення певних систем (наприклад, ядерного апарату) та зазначає важливу виняткову еволюційну роль горизонтального переносу генів.