10.2. Кроссинговер
Кроссинговер происходит в профазе I мейоза в пахитену (рис. 10.1). Обязательным условием для осуществления кроссинговера является конъюгация хромосом и образование синаптонемального комплекса. Объединенные синаптонемальным комплексом в бивалент гомологичные хромосомы, а точнее сестринские хроматиды гомологичных хромосом могут перекрещиваться и обмениваться своими участками, что приводит к образованию хиазм (рис. 10.2).
Рисунок 10.1 Кроссинговер между гомологичными хромосомами при конъюгации в мейозе
В результате возникают качественно новые хромосомы, содержащие участки (гены) как материнских, так и отцовских хромосом. Особи, которые получаются из таких гамет с новым сочетанием аллелей, получили название кроссоверных или рекомбинантных.
Рисунок 10.2. Образование хиазмы в результате кроссинговера
В биваленте из 4 хроматид в кроссинговере участвуют две, то есть процесс идет на хроматидном уровне, а не на хромосомном (рис. 10.3).
Для осуществления кроссинговера необходимо возникновение разрывов в ДНК. Согласно концепции Холлидея рекомбинация осуществляется при согласованном внесении разрывов и воссоединении цепей двух спиралей ДНК с образованием протяженных гетеродуплексных областей (рис. 10.4).
Рисунок 10.3 Схема кроссинговера: I — отсутствие кроссинговера; 2 - кроссинговер на стадии двух хромосом; 3 - кроссинговер на стадии четырех хроматид.
Первичным событием является возникновение одноцепочечных разрывов в цепях ДНК одинаковой направленности. Соответствующие цепи обоих линейных гомологичных дуплексов ДНК надрезаются и свободные концы одной спирали спариваются с комплементарными участками другой. Образуется структура, называемая полухиазмной. Перекрест стабилизируется сшиванием концов донорных цепей со свободными концами реципиентных спиралей. Точка перекреста обменивающихся цепей перемещается вдоль спиралей – процесс, называемый миграцией ветви. При этом происходит одновременное расхождение цепей исходных спиралей и их реассоциация с новыми партнерами с образованием дочерних дуплексов.
Рисунок 10.4. Упрощенная схема кроссинговера и конверсии по Холлидею (линии соответствуют цепям ДНК, две параллельные линии - хроматиде. Синий и красный цвета позволяют различать гомологов. Вертикальные линии слева обозначают центромеры, удерживающие сестринские хроматиды. Пара синих и пара красных сестринских хроматид образует тетраду. Более детально модель Холлидея представлена в [1]; а - полухиазма Холлидея, сформированная в результате обмена цепями между двумя хроматидами с последующей миграцией ветвления; б - два типа продуктов рекомбинации, возникшие в результате двух способов разрешения полухиазмы. Слева структуры с гетеродуплексом, но без кроссинговера по внешним маркерам. Справа структуры с гетеродуплексом и кроссинговером по внешним маркерам; в - в левой тетраде происходит конверсия от В к b, в правой - от b к В. Направление конверсии в тетрадах выбрано произвольно. Также произвольно выбрана и стадия, на которой происходит конверсия. Она может осуществляться и раньше, до разрешения полухиазмы; г - продукты рекомбинации)
Структуры Холлидея могут переходить в рекомбинантные двойные спирали путем внесения разрыва и воссоединения цепей двумя альтернативными способами. Один способ состоит в разрезании и воссоединении перекрещивающихся цепей. Два реципрокных продукта могут образоваться, если разрыв и последующее воссоединение цепей произойдут в точке перекреста или по линии пересечения четырех цепей в изомерной структуре Холлидея. Размер обменивающихся фрагментов зависит от расстояния, на которое произошла миграция ветви до акта рекомбинации.
В основе рекомбинации данного типа лежит гомологичное спаривание цепей, принадлежащих двум разным спиралям ДНК, поэтому скорее всего она произойдет в том месте, где такое спаривание возможно a priori и где гомологичность последовательностей достаточно велика, чтобы могла произойти миграция ветви в рамках структуры со скрестившимися цепями. Отсюда можно понять, почему общая, или гомологичная, рекомбинация происходит также между двумя повторами в пределах одной молекулы ДНК или между аллельными и неаллельными элементами одной и той же последовательности в двух разных хромосомах.
В ходе миграции ветви при спаривании цепей, принадлежащих разным спиралям, образуются гетеродуплексы. В таких гетеродуплексах в пределах сегмента между сайтом начала образования структуры Холлидея и сайтом кроссинговера может содержаться по одному или более ошибочно спаренных оснований. Они удаляются так же, как любые модифицированные основания при репарации ДНК. Однако, поскольку удалено может быть любое из ошибочно спаренных оснований, в обеих рекомбинантных спиралях в данном сайте могут оказаться одинаковые пары оснований, т.е. рекомбинация для этого сайта окажется нереципрокной. Таким образом, каждая из рекомбинантных спиралей может быть похожа на любой из начальных дуплексов в тех позициях, где исходно они различались.
Образование ошибочных пар (гетеродуплексов) в районах, фланкирующих брешь, обусловливает получение как реципрокных, так и нереципрокных рекомбинаций между генетическими маркерами. Если двухцепочечный разрыв происходит вблизи (или в пределах) участка, где между спиралями имеются различия (замены оснований, делеции, вставки, инверсии и т.п.), то рекомбинанты унаследуют нуклеотидную последовательность партнера, у которого разрыва не происходило. Этот механизм объясняет многие случаи генной конверсии, особенно те, в которых протяженная последовательность одного дуплекса замещается соответствующей, но отличающейся последовательностью другого дуплекса.
Кроссинговер еще больше увеличивает вероятность рекомбинации генов, тем самым увеличивая генетическое разнообразие потомства. Благодаря механизмам рекомбинации, гены матери и отца лишь временно сочетаются в организме потомка, чтобы вновь разойтись уже в его половых клетках и дать новые сочетания в его детях и т.д. (рис. 10.5).
Рекомбинация является основным источником генетической изменчивости в популяции. Если учесть, что в каждой клетке человека не две пары хромосом, как схематических примерах, а 23 пары, то можно представить себе, насколько велико число разнообразных сочетаний хромосом и генов, возникающих в результате рекомбинации. Поэтому уже одна только рекомбинация хромосом и генов настолько увеличивает генетическое разнообразие, что во всей человеческой популяции практически нет двух генетически одинаковых людей (не считая, конечно, монозиготных близнецов, которые по своему происхождению генетически идентичны).
Рисунок 10.5. Результаты кроссинговера по маркерным участкам хромосом человека. (Две гомологичные хромосомы человека (сплошная и пунктирная линии) показаны до и после кроссинговера при мейозе. Больной гетерозиготен по гену, вызывающему болезнь, поэтому у него один аллель нормальный (белый квадрат), а другой - мутантный (темный квадрат), и гетерозиготен по четырем генетическим маркерам-аллели A/В, F/G, К/L и R/S на расстоянии 0, 1, 10 и более 50 сМ от гена. Обследование семьи на аутосомно-доминантную болезнь. Вверху показано расположение двух генетических маркеров на 4-й и 7-й хромосомах каждого из родителей. Один маркер, представленный аллелями К/L, расположен на 4-й хромосоме на расстоянии 10 сМ от гена, вызывающего болезнь, а другой, представленный аллелями Y/Z, расположен на 7-й хромосоме. Ниже показаны генотипы всех членов семьи. Все больные дети, кроме последнего, получили от отца мутантный аллель, сцепленный с аллелем L генетического маркера. У последнего ребенка в результате кроссинговера (такого, как на рисунке А) мутантный ген сцеплен с аллелем К).
Ученые подсчитали, что число возможных сочетаний генов человека составляет примерно 3.1047, тогда как число живших на Земле людей за всю историю человечества имеет порядок около 1011, что на десятки порядков меньше. Поэтому практически на земном шаре никогда не было, нет и не может быть двух людей с одинаковым набором генов. Даже вероятность того, что дети одних и тех же родителей (не считая, конечно, монозиготных близнецов) будут иметь одинаковый набор генов, равняется одному шансу на 64 триллиона возможностей. Так что каждый из нас генетически уникален.