Trecere peste

Crossing over (din engleză  crossing over  - crossing) - procesul de schimb de secțiuni de cromozomi omologi în timpul conjugării în profaza primei diviziuni a meiozei , care are loc, de exemplu, în timpul formării gameților sau sporilor . În plus față de meiotică, a fost descrisă și încrucișarea mitotică .

Cu cât genele sunt mai aproape una de cealaltă , cu atât mai rar se produce încrucișarea între ele, prin urmare, pe baza frecvențelor de încrucișare, se poate judeca aranjarea reciprocă a genelor și distanța dintre ele, adică hărțile genelor . Încrucișarea a fost descrisă în 1911 de geneticianul american Thomas Hunt Morgan și studentul și colaboratorul său Alfred Sturtevant în musca de fructe Drosophila melanogaster . În 1913, Sturtevant a început să facă hărți genetice bazate pe încrucișarea frecvențelor. În 1933, Morgan a primit Premiul Nobel pentru Fiziologie sau Medicină pentru descoperirile sale referitoare la rolul cromozomilor în ereditate . » [1] .

Istoricul descoperirilor

Crossover-ul a fost descoperit pentru prima dată de Thomas H. Morgan și studentul său Alfred H. Sturtevant în musca de fructe Drosophila melanogaster în 1911, când analizau numeroase mutații localizate pe cromozomul X. Morgan a analizat rezultatele a două încrucișări: într-una, femele cu corp galben și ochi albi au fost încrucișate cu masculi de tip sălbatic (corp gri, ochi roșii), iar în cealaltă, femele cu ochi albi și aripi mici au fost încrucișate cu sălbatici. -tip masculi. În prima încrucișare din prima generație (F1), toate femelele au fost de tip sălbatic , iar masculii au prezentat ambele trăsături mutante; în a doua generație (F2), marea majoritate a muștelor aveau fenotipurile părinților (tip sălbatic sau corp galben și ochi albi), dar mai puțin de 1% dintre muște aveau fie corpul galben cu ochi roșii, fie corpul gri. cu ochii albi. În a doua încrucișare au apărut și muște cu fenotipuri recombinate în F2, iar proporția lor a fost de 34,5% [2] .

Până la momentul experimentelor de mai sus, chiasma fusese deja descrisă în timpul sinapsei cromozomilor omologi în meioză la amfibieni (au fost descrise de F. A. Janssens în 1909). Morgan a sugerat că chiasmele erau punctele în care cromozomii și-au schimbat secțiunile și a inventat termenul „încrucișare” pentru a descrie acest proces. El a explicat diferența de proporție a fenotipurilor recombinate obținute în primul și al doilea experiment prin distanțe diferite între gene: frecvența formării chiasmei între gene apropiate este mai mică decât între cele mai îndepărtate [2] .

Baze citologice

În 1909, F. A. Janssens a descris formarea chiasmelor, structuri caracteristice care formează cromozomi omologi în timpul încrucișării, în timpul meiozei la amfibieni. Janssens a sugerat, de asemenea, că chiasma poate indica schimbul de cromozomi cu material genetic . Dovezile că formarea chiasmei este însoțită de schimbul de secțiuni de cromozomi omologi au fost obținute în 1931 pentru porumb și Drosophila [3] .

Porumbul a fost cercetat Harriet Creighton și Barbara McClintock . Ei au studiat o formă specială de porumb care este diheterozigotă pentru două gene, c și wx , care determină culoarea endospermului . Genele c și wx sunt localizate pe același cromozom, iar în forma studiată de porumb, unul dintre cei doi cromozomi omologi care conțin aceste gene purta o regiune heterocromatină extinsă la un capăt și o regiune translocată a altui cromozom la celălalt. Al doilea cromozom omolog nu a avut aceste caracteristici citogenetice . Studiile urmașilor recombinanți obținuți prin încrucișarea formei descrise de porumb cu plante recesive în genele c și wx au arătat că, la plantele recombinante, blocul heterocromatin sau regiunea translocată a fost transferată la al doilea cromozom omolog, adică cromozomii și-au schimbat efectiv fizic. regiuni [4] .

Studii asupra Drosophila în același sens au fost efectuate de Kurt Stern . El a primit o linie de femele Drosophila, diheterozigote pentru genele cr și B , care sunt localizate pe cromozomul X și determină culoarea și, respectiv, forma ochilor. Aceste femele aveau cromozomi X heteromorfi: unul dintre ei avea formă de L, deoarece conținea un mic fragment al cromozomului Y , iar celălalt era foarte scurtat din cauza translocării segmentului său (nu conține un centromer ) la al patrulea cromozom. Femelele descrise au fost încrucișate cu masculi care sunt recesivi pentru genele cr și B și au cromozomi X și Y normali. Puii recombinanți (doar femelele, deoarece cromozomul Y al masculilor ar putea fi confundat cu cromozomul X în formă de L) au fost examinați citologic și au constatat că cromozomii lor X au suferit modificări structurale, ceea ce indică faptul transferului de fragmente între X. -cromozomi, adică încrucișarea [5] .

Când natura fizică a încrucișării a fost în sfârșit stabilită, a apărut întrebarea în ce stadiu al ciclului celular are loc. Teoretic, încrucișarea poate avea loc înainte de replicarea cromozomilor (la stadiul cu două catene) și după aceasta (la stadiul cu patru catene). Pentru a răspunde la această întrebare, a fost utilizată o analiză tetradă folosind ciuperca marsupială  - mucegaiul pâinei Neurospora crassa . Formarea sporilor haploizi în acest organism are loc în interiorul unor structuri speciale - pungi (asci) și include două diviziuni : meioză și mitoză ulterioară , prin urmare, un ask matur conține opt spori haploizi. Axa fusului în timpul meiozei coincide cu axa longitudinală a ascului; prin urmare, patru perechi de spori haploizi sunt aranjați pe un rând în ascus, iar genotipul fiecărei perechi de spori este identic. La studierea ordinii și genotipului sporilor din ascus, s-a arătat că încrucișarea are loc după dublarea cromozomilor, adică atunci când fiecare dintre ei este format din patru cromatide . Dacă încrucișarea a avut loc înainte de replicarea cromozomilor, atunci ascul unei ciuperci care este diheterozigotă pentru genele A și B (adică, având genotipul AaBb) ar conține 4 spori cu genotipul Ab și 4 spori cu genotipul aB. De fapt, sporii a patru genotipuri sunt detectați în ascul ciupercilor cu genotipul indicat, a cărui ordine în ascus depinde de cromatidele non-surori încrucișate între . Faptul că încrucișarea are loc în stadiul de patru cromatide a fost demonstrat și la Drosophila. Acest lucru a fost făcut în 1925 de către Calvin Bridges și I. Anderson [6] .

Acum se știe că încrucișarea are loc în profaza primei diviziuni a meiozei, care este împărțită în mai multe etape. Prima etapă, leptotenul , este marcată de condensarea cromozomilor dublați, datorită căreia aceștia devin vizibili. Împerecherea secțiunilor de cromozomi omologi începe în următoarea etapă, zigotenul, iar în etapa următoare, pachitenul, cromozomii omologi devin perechi pe toată lungimea lor. Astfel de structuri, constând din doi cromozomi omologi conectați, sunt numite bivalenți , iar procesul de împerechere a omologilor se mai numește și sinapsă. Cromozomii omologi sunt ținuți împreună de un complex proteic complex numit complex sinaptonemal . În etapa următoare, în diploten, cromozomii se separă, dar continuă să fie reținuți în chiasma unde are loc încrucișarea. Ultima etapă a profezei primei diviziuni a meiozei, diakineza, este însoțită de o și mai mare condensare a cromozomilor, în care toate cele patru cromatide devin distinse, dar chiasmele rămân [7] .

Mecanism molecular

Cel mai adesea, încrucișarea apare atunci când proteina Spo11 face tăieturi duble țintite în catena ADN [8] într-o manieră bine definită, predominant în promotori și regiuni bogate în GC [9] . De obicei, aceste regiuni sunt situate la așa-numitele puncte fierbinți de recombinare, regiuni de aproximativ 1000-2000 de perechi de baze care au o frecvență mare de recombinare. Absența punctelor fierbinți lângă două gene de pe același cromozom înseamnă adesea că aceste gene vor fi moștenite de generațiile viitoare în proporții egale [10] . Crossing-ul se bazează pe recombinarea omoloagă , care joacă, de asemenea, un rol important în repararea rupurilor duble catenare [11] .

Sunt cunoscute două mecanisme principale de recombinare omoloagă: calea de reparare a ruperii duble catene (DSBR), cunoscută și sub denumirea de modelul cu structură dublă Holliday, și calea de recoacere a firelor dependente de sinteză (SDSA) [12] . Încrucișarea are loc în timpul căii DSBR. Ambele încep la fel. Când este detectată o rupere dublu-catenă în lanț, complexul proteic MRX (în MRN uman ) se află de fiecare parte a rupturii, urmat de trunchierea 5'-terminală în două etape separate. Primul pas este ca MRX-ul asociat cu proteina Sae2 taie capetele 5’ ale firului de lângă rupere, lăsând capetele 3’ proeminente. A doua etapă a tăierii 5’ → 3’ este continuată de helicaza Sgs1 și nucleazele Exo1 și Dna2 . Sgs1 „deschide” dublul helix, în timp ce Exo1 și Dna2 creează rupturi în ADN-ul monocatenar eliberat de Sgs1 [13] .

Proteina replicativă A (RPA), care are o afinitate mare pentru ADN-ul monocatenar, leagă capetele 3’ proeminente [14] și, cu ajutorul unui număr de alte proteine ​​care mediază procesul, cum ar fi Rad51 (și Dmc1 în meioză), formează un complex cu ADN monocatenar, care îl acoperă. Catena de nucleoproteina cauta apoi o catena de ADN similara sau identica si se insera in ea cand o gaseste. În celulele care se împart prin mitoză, „victima” introducerii (duplexul ADN-ului receptor) este de obicei o cromatidă soră identică cu ADN-ul deteriorat, care este cel mai adesea folosit ca șablon pentru reparare. În meioză, totuși, duplexul ADN receptor este un cromozom omolog, care este foarte asemănător, dar nu neapărat identic cu, cromozomul deteriorat [12] .

În timpul invaziei catenei, se formează o buclă D între capătul 3’ proeminent al catenei invadatoare și cromozomul omolog . ADN - polimeraza extinde apoi capetele 3’. Structura transversală rezultată se numește structura Holliday . În urma acesteia , sinteza ADN-ului are loc pe catena inserată (adică pe unul dintre capetele 3’ proeminente) , restabilindu-l în mod eficient complementar cu cromozomul omolog în locul din care a fost deplasată bucla D [12] .

Calea DSBR este unică prin faptul că cel de-al doilea capăt 3’ care se întinde (care nu a participat la inserție) formează, de asemenea, o structură Holliday cu un lanț de cromozomi omolog. Mai mult, structura dublă Holliday devine un produs de recombinare sub acțiunea de tăiere a endonucleazelor  - restrictaze care sparg doar o catenă de ADN [15] [16] . Dacă DSBR va trece sau nu este determinat de modul în care structura Holliday este tăiată sau „rezolvată”. Încrucișarea poate avea loc dacă o structură Holliday este tăiată de-a lungul toroanelor care se intersectează, iar cealaltă nu. Un produs care nu a suferit încrucișări va fi obținut numai dacă ambele structuri sunt rezolvate de-a lungul toroanelor care se intersectează [17] .

Încrucișarea mitotică

Deși în marea majoritate a cazurilor, încrucișarea este asociată cu meioză, a fost descrisă și încrucișarea mitotică, care poate apărea în celulele somatice în timpul diviziunilor mitotice atât în ​​organisme sexuate, cât și în organisme asexuate (de exemplu, unele ciuperci unicelulare , în care procesul sexual nu este cunoscut ). În cazul organismelor asexuate, recombinarea mitotică este singura cheie pentru înțelegerea legăturii genelor , deoarece în astfel de organisme aceasta este singura modalitate de recombinare genetică [18] . În plus, recombinarea mitotică poate duce la expresia mozaică a alelelor recesive la un individ heterozigot. O astfel de expresie este importantă în oncogeneză , ea permite, de asemenea, studiul mutațiilor recesive letale [18] [19] .

Încrucișarea și cartografierea genelor

Studentul lui Morgan, Alfred Sturtevant, a fost primul care a sugerat utilizarea informațiilor despre frecvența de încrucișare între anumiți loci pentru a determina distanța dintre aceștia pe cromozom și ordinea relativă a locației, adică pentru a mapa genele. În 1913, a încrucișat muște homozigote pentru mutațiile galbene (corp galben), albe (ochi albi) și miniaturale ( aripi mici, subdezvoltate ) localizate pe cromozomul X. Frecvența recombinării între loci alb și miniatural , precum și loci galben și miniatural , a fost aproximativ aceeași (34,5% și, respectiv, 35,4%), dar între genele galben și alb recombinarea a avut loc la o frecvență de numai 0,5% . Sturtevant a sugerat că, cu cât locii sunt localizați fizic mai aproape de cromozom, cu atât se recombină mai rar, astfel încât aceste gene sunt cel mai probabil să fie în ordinea galben  - alb  - miniatură pe cromozom . Pe baza frecvențelor de recombinare, Sturtevant a construit o hartă genetică a cromozomului X Drosophila, iar o unitate de hartă convențională corespunde la 1% din recombinare. Unitatea de hartă genetică a fost numită centimorgan (cM) în onoarea lui Morgan. Cercetările ulterioare au arătat că încrucișarea este caracteristică nu numai pentru cromozomul X, ci și pentru autozomi . În mod curios, la Drosophila, spre deosebire de majoritatea altor animale , încrucișarea nu are loc la masculi [20] .

Mai multe încrucișări apar adesea între cromatide non-surori, de exemplu, așa-numita încrucișare dublă este larg răspândită. Existența încrucișării multiple încalcă aditivitatea exactă a frecvenței de recombinare între gene: dintre cele trei gene localizate liniar, frecvența de recombinare între genele extreme este de fapt ceva mai mică decât suma frecvențelor de recombinare dintre prima și a doua genă și între al doilea și al treilea [21] . Pe măsură ce distanța dintre două gene crește, harta cromozomală devine mai puțin precisă, deoarece nenumăratele cazuri de încrucișare între loci care împărtășesc aceste gene nu sunt luate în considerare. Datorită încrucișării multiple, frecvența recombinărilor este subestimată, iar distanța intergenică determinată experimental este mai mică decât cea reală [22] .

Cu toate acestea, încrucișarea între două gene în unele cazuri împiedică schimbul dintre regiunile adiacente. Acest fenomen se numește interferență, iar pentru a-i evalua severitatea se folosește așa-numitul coeficient de coincidență C, care este egal cu raportul dintre numărul de duble încrucișări observate și numărul celor așteptate teoretic; magnitudinea interferenței este caracterizată de valoarea lui I, egală cu 1 - C. În cazul interferenței negative , când I > 0, frecvența dublei încrucișări este mai mare decât cea așteptată; un astfel de fenomen a fost descris, în special, la porumb. Cu toate acestea, interferența pozitivă este mult mai frecventă, în care I < 0 și încrucișarea între doi loci suprimă trecerea între site-urile adiacente. De regulă, cu cât genele sunt mai apropiate, cu atât interferența pozitivă este mai mare [23] .

Pe baza analizei frecvențelor de recombinare, a fost posibilă compilarea hărților genetice ale unor organisme, cu toate acestea, în unele cazuri, de exemplu, în cazul oamenilor , o astfel de procedură este foarte dificilă. Odată cu dezvoltarea metodelor de secvențiere a ADN- ului, a devenit posibilă cartografierea genelor umane, iar pentru aceasta se folosesc așa-numiții markeri ADN  - fragmente scurte de ADN cu o secvență cunoscută și localizare pe cromozomi, care sunt repere convenabile pentru construirea hărților cromozomilor. Polimorfismele de lungime a fragmentelor de restricție și microsateliții au fost printre primii markeri ADN ; mai târziu, polimorfismele cu un singur nucleotide au început să fie folosite ca markeri [24] .

Factorii care afectează trecerea

Mai mulți factori de mediu influențează frecvența încrucișării meiotice și mitotice. Diferite tipuri de radiații ( UV - X-ray și γ-radiații ) în majoritatea cazurilor cresc frecvența de încrucișare, deoarece provoacă rupturi simple - și dublu-catenar în ADN. Radiațiile pot afecta recombinarea doar în unele părți ale cromozomilor; Astfel, la Drosophila, sub acțiunea radiațiilor în regiunile pericentromerice, frecvența încrucișării crește, în timp ce la cele îndepărtate de centromer scade. Frecvența încrucișării este crescută de multe substanțe care perturbă structura ADN-ului și împiedică replicarea normală, cum ar fi compușii nitrozoși , precum și agenții care alchilează și deaminează bazele azotate . Temperatura poate afecta și frecvența de recombinare [25] .

Frecvența traversării este legată de starea fiziologică a corpului. Cu cât femela Drosophila este mai în vârstă, cu atât se încrucișează mai rar. Înfometarea larvelor crește frecvența de trecere, în timp ce lipsa apei, dimpotrivă, o scade. Există, de asemenea, control genetic asupra frecvenței de încrucișare. De exemplu, după cum s-a menționat mai sus, încrucișarea este absentă la muștele de fructe masculi, precum și la viermii de mătase femele . În general, de regulă, încrucișarea apare mai rar la sexul heterogametic . Frecvența încrucișării este afectată de anumite rearanjamente cromozomiale și anumite mutații [26] .

Note

  1. ↑ Premiul Nobel pentru Fiziologie sau Medicină 1933  . Nobel Media AB 2013. Preluat la 11 decembrie 2013. Arhivat din original pe 21 august 2007.
  2. ↑ 1 2 Klug et al., 2016 , p. 227.
  3. ↑ Inge-Vechtomov, 2010 , p. 182.
  4. ↑ Inge-Vechtomov, 2010 , p. 183.
  5. ↑ Inge-Vechtomov, 2010 , p. 183-184.
  6. ↑ Inge-Vechtomov, 2010 , p. 186-188.
  7. ↑ Krebs, Goldstein, Kilpatrick, 2017 , p. 351-352.
  8. ↑ Keeney S. , Giroux CN , Kleckner N. Rupele duble catenare specifice meiozei ADN sunt catalizate de Spo11, un membru al unei familii de proteine ​​pe scară largă.  (engleză)  // Cell. - 1997. - Vol. 88, nr. 3 . - P. 375-384. — PMID 9039264 .
  9. ↑ Longhese MP , Bonetti D. , Guerini I. , Manfrini N. , Clerici M. Rupele duble catene ale ADN în meioză: verificarea formării, procesării și reparației lor.  (Engleză)  // Repararea ADN-ului. - 2009. - Vol. 8, nr. 9 . - P. 1127-1138. - doi : 10.1016/j.dnarep.2009.04.005 . — PMID 19464965 .
  10. ↑ Cahill LP , Mariana JC , Mauléon P. Populații foliculare totale la oi cu rate de ovulație ridicate și scăzute.  (engleză)  // Jurnal de reproducere și fertilitate. - 1979. - Vol. 55, nr. 1 . - P. 27-36. — PMID 423159 .
  11. ↑ Krebs, Goldstein, Kilpatrick, 2017 , p. 352-353.
  12. ↑ 1 2 3 Sung P. , Klein H. Mecanism of homologous recombination: mediatori and helicazes take on regulatory functions.  (engleză)  // Recenzii de natură. Biologie celulară moleculară. - 2006. - Vol. 7, nr. 10 . - P. 739-750. - doi : 10.1038/nrm2008 . — PMID 16926856 .
  13. ↑ Mimitou EP , Symington LS Nucleazele și helicazele sunt centrale în recombinarea omoloagă.  (engleză)  // Tendințe în științe biochimice. - 2009. - Vol. 34, nr. 5 . - P. 264-272. - doi : 10.1016/j.tibs.2009.01.010 . — PMID 19375328 .
  14. ↑ Wold MS Replication protein A: o proteină heterotrimerică, monocatenar, care leagă ADN-ul, necesară pentru metabolismul ADN-ului eucariotic.  (engleză)  // Revizuirea anuală a biochimiei. - 1997. - Vol. 66. - P. 61-92. - doi : 10.1146/annurev.biochem.66.1.61 . — PMID 9242902 .
  15. ↑ Nelson DL, Cox MM. Principii de biochimie  (neopr.) . — al 4-lea. - Freeman, 2005. - S. 980-981. - ISBN 978-0-7167-4339-2 .
  16. ↑ Marcon E. , Moens PB Evoluția meiozei: recrutarea și modificarea proteinelor somatice de reparare a ADN-ului.  (engleză)  // BioEssays: știri și recenzii în biologie moleculară, celulară și de dezvoltare. - 2005. - Vol. 27, nr. 8 . - P. 795-808. doi : 10.1002 / bies.20264 . — PMID 16015600 .
  17. ↑ Alberts și colab., 2013 , p. 466-484.
  18. ↑ 1 2 Hartel, Daniel L. și Maryellen Ruvolo. Genetica : Analiza geneticii si a genomului  . — Burlington: Jones & Bartlett, 2012.
  19. ↑ Tischfield JA Pierderea heterozigozității sau: cum am învățat să nu mă mai îngrijorez și să iubesc recombinarea mitotică.  (Engleză)  // Jurnalul American de Genetică Umană. - 1997. - noiembrie ( vol. 61 , nr. 5 ). - P. 995-999 . - doi : 10.1086/301617 . — PMID 9345110 .
  20. ↑ Klug și colab., 2016 , p. 228-229.
  21. ↑ Klug și colab., 2016 , p. 231-232.
  22. ↑ Klug și colab., 2016 , p. 240.
  23. ↑ Klug și colab., 2016 , p. 240-242.
  24. ↑ Klug și colab., 2016 , p. 242.
  25. ↑ Inge-Vechtomov, 2010 , p. 204.
  26. ↑ Inge-Vechtomov, 2010 , p. 205-206.

Literatură

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii
În cataloagele bibliografice