МОЛБИОЛ 2014-лекции / ООФ / Л06-Генетическая рекомбинация _1
.pdf
Механизм антигенных вариаций у гонококков
•Содержит копии генов, кодирующих различные варианты пилина - белка, образующего пили на поверхности гонококков (пили обеспечивают прикрепление гонококков к эпителию мочеполовой системы).
•Экспрессируются лишь гены в локусах, pilE, они определяют тип пилина на поверхности клеток. Возможна утрата гена pilE
•Восстановление активности гена пилина происходит за счет рекомбинационного взаимодействия (генной конверсии) «остатков» гена pilE с гомологичными последовательностями одной из молчащих копий гена в локусах pilS. Копия для замены выбирается случайно.
•Таким способом гонококки сравнительно часто меняют иммунологические свойства пилей и не позволяют развиться эффективному иммунному ответу.
•Невысокая частота рекомбинации. Заметна лишь в силу огромной популяции
микроорганизмов. |
51 |
•Используют обычный аппарат гомологичной рекомбинации.
Кассетный механизм переключения экспрессии генов используется у дрожжей для смены типа спаривания (пола) гаплоидных спор
α-феромон
•Гаплоидные дрожжи бывают двух типов спаривания: а и α.
•Тип спаривания определяется продуктами экспрессии локуса MAT (МАТа или МАТα) - половыми гормонами (феромонами).
•Клетки разных типов спаривания умеют находить друг друга и образовывать диплоиды.
•В диплоидных а/α дрожжах экпрессируются оба МАТ-локуса
•У некоторых (гомоталлических) штаммов в гаплоидной форме происходит эффективное переключение типов спаривания.
•Для переключения спаривания используется специализированная система гомологичной рекомбинации. 52
«Кассетный» механизм смены типов спаривания у гаплоидных дрожжей
•У дрожжей имеется три копии генов, ответственных за тип спаривания. Все они расположены на одной хромосоме
•Гомологичные HMRa или HMLальфа несут резервную информацию («кассеты»), еще одна (переключаемая) копия активно экспрессируется в локусе МАТ.
•Последовательность ДНК в МАТ-локусе идентична либо левой (MATальфадрожжи), либо правой (МАТа-дрожжи) молчащей копии.
•В дрожжах, способных к переключению, с очень высокой частотой
происходит замена информации, содержащейся в МАТ-локусе, на |
53 |
информацию одной из молчащих копий генов типа спаривания. |
|
«Кассетный» механизм смены типов спаривания у гаплоидных дрожжей
•Процесс инициирует специальная сайт-специфическая эндонуклеаза, продукт гена НО, которая вносит двунитевой разрыв в определенную последовательность ДНК МАТ-локуса, но не в кассеты.
•Экзонуклеазы расширяют брешь до участков, гомологичных молчащей копии.
•Рекомбинация происходит путем эктопической конверсии по механизму репарации двухцепочечного разрыва.
•Наличие специфического белка обеспечивает высокую частоту рекомбинации.
• В диплоидных а/α дрожжах экпрессируются оба МАТ-локуса; механизм 54
переключения типов спаривания не работает.
Биологическое значение гомологичной рекомбинации
•Вносит вклад в лежащую в основе эволюции генетическую изменчивость, позволяющую организмам постоянно приспосабливаться к среде обитания.
•При половом размножении обеспечивает комбинативную изменчивость
–создание разнообразных комбинаций родственных (аллельных) вариантов генов. Это создает возможность отбора благоприятных комбинаций генов.
•Эктопическая рекомбинация приводит к перестройкам хромосом, с которыми связывают эволюцию генетического аппарата.
•Дупликации участков хромосом обеспечивают дивергенцию нуклеотидных последовательностей, что приводит к возникновению новых генов. Это один из путей возникновения мультигенных семейств (глобины, протеазы, гистоны, HLA, рРНК, тРНК и др.).
•Участвует в разнообразных онтогенетических перестройках генетического материала, участвующих в регуляции работы генов.
•Конверсия гена в соматических клетках (без кроссинговера).
•Специализированные системы гомологичной рекомбинации.
•Пострепликативная, или рекомбинационная репарация.
•Спаривание гомологов, необходимое для правильного расхождения хромосом в мейозе.
•Реакция гомологичной рекомбинации лежит в основе ряда методов55
трансгенеза (получение химерных и нокаутных животных)
Спасибо за внимание
56
Единые принципы общей рекомбинации
•Обязательный этап РК - синапсис, когда две молекулы ДНК вступают в контакт в участке, где произойдет обмен полинуклеотидными цепями.
•Точка обмена может иметь определенную локализацию.
•Обмен равными частями гомологичных последовательностей путем разрыва - перевоссоединения двух двойных спиралей.
•Обмен с перекрещиванием цепей за счет комплементарного спаривания через структуру Холлидея.
•Полное сохранение нуклеотидной последовательности.
•Удлинение гетеродуплекса (миграция ветвления).
•Ступенчатое соединение двух цепей в каждой двойной спирали за счет формирования гетеродуплекса.
•Конверсия – коррекция рекомбинационного гетеродуплекса.
•Участие множества специальных белков:
9Нуклеазы (экзо-, эндо-, резолвазы)
9Белок RecA (E.coli) и его гомологи у эукариот.
57
Пример эктопической конверсии - рекомбинация между прямыми повторами ДНК
•Линии изображают хроматиды в профазе мейоза I.
•Вертикальные линии, соединяющие сестринские хроматиды, соответствуют центромерам.
•Негомологичная тетрада выделена зеленым цветом.
•Прямоугольники изображают гомологичные прямые повторы, стрелки внутри прямоугольников - их ориентацию.
•Х-образные соединения указывают на рекомбинацию (кроссинговер или конверсия).
•Рекомбинация по пути 1 аллельная, остальные относятся к эктопической.
•Рекомбинацию по путям 2 и 3 называют внутрихромосомной, 4 - межхромосомной (неравный кроссинговер), 5 - гетерохромосомной.
•Реципрокные кроссинговеры по пути 2 ведут к делециям, 3 и 4 - к сопряженным делециям и дупликациям, 5 - к транслокациям
58
Пресинаптическая и синаптическая стадии кроссинговера E.coli
1. Пресинапсис - образование |
|
|
RecA-ДНК-филамента с рибозо- |
|
|
фосфатным скелетом |
гетеродуплекс |
|
одноцепочечной ДНК (ssDNA). |
||
|
||
Связывание RecAбелка носит |
|
|
кооперативный характер |
Закрытая D-петля |
|
(«конец-в-конец») с |
||
образованием вокруг ДНК |
– три цепи ДНК |
|
|
||
правозакрученной белковой |
RecA-ДНК |
|
спирали. Основания |
филамент |
|
экспонированы. |
|
2.Связывание филамента с «голой» двуспиральной ДНК (dsDNA). Гомология не нужна.
3.Синапсис. Инвазия (вторжение) нити ДНК-филамента в дуплекс. Формирование новых пар между одной нитью dsDNA и нитью ssDNA
филамента, образование гетеродуплекса и D-петли. |
59 |
Модель рекомбинации на основе репарации двуцепочечного разрыва ДНК у дрожжей
(Жостак, 1983 г.)
Позднее в генах ARG4 и HIS4 обнаружены специфические двуцепочечные разрывы, возникающие только в мейозе и совпадающие с сайтами инициации рекомбинации.
1994 г. - структура с двумя полухиазмами выделена экспериментально из мейотических дрожжей. У других организмов не наблюдали.
60