Сайт-специфічна рекомбінація
Як приклад сайт-специфічної рекомбінації розглянемо інерцію (інтеграцію) ДНК бактеріофага λ у бактеріальну хромосому. У складі фагової ДНК є сайт attP – ділянка довжиною 270 пар основ, у складі бактеріальної ДНК – сайт attВ (23 пари основ (рис. 7). Обидва сайти мають ділянку спільної (або гомологічної) послідовності довжиною 15 пар основ. Два білки – бактеріальний IHF (Integration Host Factor) і продукт одного з генів бактеріофага інтеграза – зв’язуються із цими сайтами.
За механізмом своєї дії інтеграза є сайт-специфічною ДНК-топоізомеразою І. Чотири субодиниці білка містять чотири активні центри, у кожному з яких є залишок Tyr. На першому етапі інтеграції два активних центри роблять два одноланцюгові розрізи в бактеріальній і фаговій ДНК, одночасно ковалентно приєднуючи кінцеві фосфати до залишків Tyr. Далі відновлюється фосфодіефірний зв’язок, але з відповідним кінцем іншого дуплекса – відбувається обмін ланцюгами. На цьому етапі утворюється конфігурація чотирьох ланцюгів, еквівалентна структурі Холідея. Після цього друга пара субодиниць робить другу пару розривів (на відстані семи пар основ від першого розриву в кожному ланцюзі), і здійснюється друга пара обмінів ланцюгами, що й приводить до інтеграції.
Рис. 7. Інтеграція ДНК бактеріофага λ у бактеріальний геном.
Подібно до інтегрази працює інвертаза – сайт-специфічна топоізомераза І, яка здійснює інверсію ділянки ДНК бактеріофага µ. Ділянка довжиною 3 тис. пар основ, що піддається інверсії, містить на кінцях короткі інвертовані повтори (рис. 8). Чотири субодиниці інвертази здійснюють чотири тимчасові розрізи, відбувається обмін кінців і відновлення зв’язків, результатом чого є зміна напрямку. Інвертована ділянка містить два гени, що перекриваються, на різних ланцюгах ДНК (тобто такі, що піддаються транскрипції в різних напрямках). У результаті інверсії той чи інший ген (залежно від виду бактерії, в яку потрапив фаг) підставляється під промотор і транскрибується.
Рис. 8. Інверсія в бактеріофага µ.
Розглянуті приклади вказують на основну різницю між двома типами рекомбінації: якщо при гомологічній рекомбінації дві молекули ДНК упізнають одна одну шляхом порівняння своїх послідовностей по великій довжині, то сайт-специфічна рекомбінація передбачає наявність також гомологічних, але коротких елементів послідовності, що упізнаються специфічними білками.
Процеси сайт-специфічної рекомбінації за механізмами, цілком аналогічними до розглянутих, дуже поширені в бактеріофагів, при інсерції плазмід в основний геном у бактерій і дріжджів, вирізанні плазмід. Що стосується вищих еукаріотів, одним із головних процесів, у ході якого використовуються механізми сайт-специфічної рекомбінації, є дозрівання імуноглобулінових генів.
Незаконна рекомбінація
Під незаконною рекомбінацією зазвичай розуміють об’єднання двох молекул ДНК без гомології послідовностей і без участі механізмів сайт-специфічної рекомбінації, коли з’єднання молекул відбувається в будь-якому місці послідовності.
Наприклад, повністю негомологічні молекули ДНК фага λ та плазміди pBR322 можуть об’єднатися за допомогою гірази. Дві молекули гірази (по чотири субодиниці в кожній) роблять тимчасовий дволанцюговий розріз у кожній з молекул ДНК (розірвані кінці утримуються гіразою). Після цього дві гірази обмінюються парами субодиниць і відновлюють фосфодіефірні зв’язки (рис.9).
Рис. 9. Незаконна рекомбінація двох циркулярних молекул ДНК.
Загальним механізмом незаконної рекомбінації є репарація дволанцюгових розривів системою негомологічного з’єднання кінців, яка приводить до з’єднання чужорідних молекул ДНК.
Механізми незаконної рекомбінації (поряд із такими сайт-специфічної) використовуються при дозріванні імуноглобулінових генівз метою підвищення їх розмаїття.