Кіріспе
Гомлогтық рекомбинация - генетикалық рекомбинацияның бір түрі, онда екі бірдей немесе ұқсас екі немесе бір молекулалар арасындағы генетикалық ақпарат алмастырылады. Гомологты рекомбинация жасушалар арқылы ДНК-ның екі жіпінде пайда болатын зиянды ДНК сынықтарын дәл жөндеу үшін кеңінен қолданылады, ол екі жіпті сынықтар (DSB) деп аталады, бұл процес гомологты рекомбинациялық жөндеу (HRR) деп аталады. Гомологты рекомбинация сонымен қатар мейоз кезінде ДНК реттілігінің жаңа комбинацияларын да береді, бұл процесс эукариоттардың жануарлардағы жыныс және жұмыртқа жасушалары сияқты гамета жасушаларын жасау процесі. ДНҚ-ның бұл жаңа комбинациялары ұрпақтағы генетикалық өзгеріске ие, бұл өз кезегінде эволюция барысында популяциялардың бейімделуіне мүмкіндік береді. Гомологты рекомбинация, сондай-ақ, бактериялар мен вирустардың әртүрлі штаммдары мен түрлері арасында генетикалық материалды алмасу үшін көлденең гендерді беруде қолданылады. Геноцидтің көлденең көшірілуі бактерияларда антибиотиктерге төзімділіктің таралуының негізгі механизмі болып табылады. Гомологты рекомбинация әр түрлі организмдер мен жасуша түрлерінде кеңінен өзгерсе де, қос жіпті ДНК (dsDNA) үшін көптеген нысандар бірдей негізгі қадамдарды қамтиды. Қос жіптің үзілуі болғаннан кейін үзілістің 5' ұштарындағы ДНК-ның бөліктері резекция деп аталатын процесте кесіледі. Кейінгі тізбекті басып кіру кезеңінде сынған ДНК молекуласының 3' ұшынан асып тұрған бөлігі сынбаған ұқсас немесе бірдей ДНК молекуласына "жаулап кіреді". Сызық инвазиясынан кейін оқиғалардың одан әрі кезеңі төменде қарастырылған екі негізгі жолдың біреуін (модельдерді қараңыз) орындауы мүмкін; DSBR (қос сызық сынығын жөндеу) жолы немесе SDSA (синтезге тәуелді сызық қайнату) жолы. ДНҚ-ның жөндеуі кезінде пайда болатын гомологтық рекомбинация кроссоверлік емес өнімдерге әкеледі, нәтижесінде зақымдалған ДНҚ молекуласы екі жіптің үзілуінен бұрын болғандай қалпына келтіріледі. Гомологты рекомбинация өмірдің барлық үш доменінде, сондай-ақ ДНК және РНК вирустарында сақталады, бұл оның әмбебап биологиялық механизм екенін көрсетеді. Протистерде гомологтық рекомбинация гендерінің ашылуы - эукариоттық микроорганизмдердің әртүрлі тобы - гомологтық рекомбинация эукариоттардың эволюциясының ерте кезеңінде пайда болғанын дәлелдейді. Олардың функциясының бұзылуы бірнеше түрдегі қатерлі ісікке бейімделудің артуымен тығыз байланысты болғандықтан, гомологты рекомбинацияны жеңілдететін ақуыздар белсенді зерттеу тақырыбы болып табылады. Гомологты рекомбинация гендік таргеттеуде, яғни мақсатты организмдерге генетикалық өзгерістер енгізу әдісінде де қолданылады. Бұл техниканы жасағаны үшін Марио Капекчи, Мартин Эванс және Оливер Смитхис 2007 жылғы физиология немесе медицина саласындағы Нобель сыйлығын алды. Капекчи мен Смитхис өз бетінше тышқанның эмбрионалды түбірлі жасушаларына қолдануды тапты, алайда DSB жөндеу моделінің негізінде тұрған өте консервацияланған механизмдер, оның ішінде трансформацияланған ДНК-ның біркелкі гомологтық интеграциясы (гендік терапия) алғаш рет Орр Уивер, Шостак және Ротштейн плазмидтер эксперименттерінде көрсетілді. 1970-1980 жылдары γ сәулеленуін қолдана отырып, плазмидті индукциялаған DSB зерттеулері кейін ендонуклеазаларды (мысалы, I SceI) қолдану арқылы хромосомаларды сүтқоректілердің жасушаларының генетикалық инженериясы үшін кесуге әкелді, мұнда гомолог емес рекомбинация ашытқыдан жиі кездеседі.
Homologous recombination is a type of genetic recombination in which genetic information is exchanged between two similar or identical molecules of double stranded or single stranded nucleic acids (usually DNA as in cellular organisms but may be also RNA in viruses). Homologous recombination is widely used by cells to accurately repair harmful DNA breaks that occur on both strands of DNA, known as double strand breaks (DSB), in a process called homologous recombinational repair (HRR). Homologous recombination also produces new combinations of DNA sequences during meiosis, the process by which eukaryotes make gamete cells, like sperm and egg cells in animals. These new combinations of DNA represent genetic variation in offspring, which in turn enables populations to adapt during the course of evolution. Homologous recombination is also used in horizontal gene transfer to exchange genetic material between different strains and species of bacteria and viruses. Horizontal gene transfer is the primary mechanism for the spread of antibiotic resistance in bacteria. Although homologous recombination varies widely among different organisms and cell types, for double stranded DNA (dsDNA) most forms involve the same basic steps. After a double strand break occurs, sections of DNA around the 5' ends of the break are cut away in a process called resection. In the strand invasion step that follows, an overhanging 3' end of the broken DNA molecule then "invades" a similar or identical DNA molecule that is not broken. After strand invasion, the further sequence of events may follow either of two main pathways discussed below (see Models); the DSBR (double strand break repair) pathway or the SDSA (synthesis dependent strand annealing) pathway. Homologous recombination that occurs during DNA repair tends to result in non crossover products, in effect restoring the damaged DNA molecule as it existed before the double strand break. Homologous recombination is conserved across all three domains of life as well as DNA and RNA viruses, suggesting that it is a nearly universal biological mechanism. The discovery of genes for homologous recombination in protists—a diverse group of eukaryotic microorganisms—has been interpreted as evidence that homologous recombination emerged early in the evolution of eukaryotes. Since their dysfunction has been strongly associated with increased susceptibility to several types of cancer, the proteins that facilitate homologous recombination are topics of active research. Homologous recombination is also used in gene targeting, a technique for introducing genetic changes into target organisms. For their development of this technique, Mario Capecchi, Martin Evans and Oliver Smithies were awarded the 2007 Nobel Prize for Physiology or Medicine; Capecchi and Smithies independently discovered applications to mouse embryonic stem cells, however the highly conserved mechanisms underlying the DSB repair model, including uniform homologous integration of transformed DNA (gene therapy), were first shown in plasmid experiments by Orr Weaver, Szostak and Rothstein. Researching the plasmid induced DSB, using γ irradiation in the 1970s 1980s, led to later experiments using endonucleases (e. g. I SceI) to cut chromosomes for genetic engineering of mammalian cells, where nonhomologous recombination is more frequent than in yeast.
Тарих және ашылу
1900-ші жылдардың басында Уильям Бейтсон мен Реджинальд Пуннетт 1860-шы жылдары Грегор Мендель сипаттаған мұрагерлік қағидаларының бірінен ерекшелік тапты. Мендельдің қасиеттер ата-анадан балаға беріліп, өз алдына әртүрлі болады деген түсінігіне қарама-қайшы, мысалы, мысықтың шаштың түсі мен құйрығының ұзындығы бір-біріне тәуелсіз мұраланады, Бейтсон мен Пуннетт физикалық қасиеттермен байланысты белгілі бір гендерді бірге немесе генетикалық байланысты мұра ете алатындығын көрсетті. 1911 жылы байланысты қасиеттер кейде жеке-жеке мұрагерлік жолмен беріле алатынын байқағаннан кейін Томас Хант Морган байланысты гендердің бірі физикалық жағынан басқа хромосомаға өтіп кеткен кезде байланысты гендер арасында "кроссоверлер" болуы мүмкін деп ұсынды. 20 жылдан кейін Барбара Макклинток пен Харриет Крейтон хромосомалық кроссовер мейоз кезінде, яғни ұрық пен жұмыртқа жасушалары түзілетін жасушалар бөліну процесінде болатындығын дәлелдеді. Макклинтоктың ашылуымен бір жылы Курт Стерн "қайта үйлесім" деп аталатын қиылысу митоз арқылы бөлінетін ақ қан жасушалары мен тері жасушалары сияқты соматикалық жасушаларда да болуы мүмкін екенін көрсетті. 1947 жылы микробиолог Джошуа Ледерберг бактериялар - екілік бөліну арқылы тек жыныстық емес жолмен көбейеді деп есептелгендер - генетикалық рекомбинацияға қабілетті екенін көрсетті, бұл жыныстық көбеюге көбірек ұқсас. Бұл жұмыс E. coli бактериясын генетикада үлгілі организм ретінде қалыптастырды және Ледербергке 1958 жылы физиология немесе медицина саласындағы Нобель сыйлығын жеңуге көмектесті. Саңырауқұлақтардағы зерттеулерге сүйене отырып, 1964 жылы Робин Холлидей мейоздағы рекомбинация моделін ұсынды, ол процесстің қалай жұмыс істейтіні туралы негізгі мәліметтерді, оның ішінде Холлидейлік түйісулер арқылы хромосомалар арасындағы материал алмасуды енгізді. 1983 жылы Джек Шостак және оның әріптестері қазір DSBR жолы деп аталатын модель ұсынды, ол Холлидей моделімен түсіндірілмеген байқауларды есепке алды. Бұл қос жіптің үзілуі соматикалық жасушалардағы хромосомалардың үлкен масштабта қайта орналасуына әкелуі мүмкін, бұл өз кезегінде қатерлі ісікке әкелуі мүмкін. ДНК-ны жөндеуден басқа, гомологты рекомбинация жасушалар мейоз кезінде бөлініп, жануарларда мамандандырылған гамета жасушалары - сперматозоидтар немесе жұмыртқа жасушалары, өсімдіктердегі тозаң немесе жұмыртқалар және саңырауқұлақтардағы споралар болып табылатын кезде генетикалық әртүрлілікті жасауға көмектеседі. Ол хромосомалық кроссоверді жеңілдету арқылы жүзеге асырылады, онда ұқсас, бірақ бірдей емес ДНК аймақтары гомолог хромосомалармен алмасады. Бұл жаңа, мүмкін пайдалы гендер комбинацияларын жасайды, бұл ұрпаққа эволюциялық артықшылық бере алады. Хромосомалық кроссовер көбінесе Spo11 деп аталатын белок ДНК-да мақсатты қос жіпті үзіп тастағанда басталады. Бұл қос жіптің үзілу орындары көбінесе рекомбинациялы нүктелерде, хромосомалардың шамамен 10002000 негіз жұп ұзындығы бар және рекомбинацияның жоғары деңгейі бар аймақтарында кездеседі. Бір хромосомадағы екі геннің арасында рекомбинациялық нүктелердің болмауы көбінесе сол гендердің болашақ ұрпақтарға тең мөлшерде мұра болып қалатынын білдіреді. Бұл екі геннің арасындағы байланыстың мейоз кезінде тәуелсіз түрде әртүрлі гендерден күтілетіннен үлкендігін көрсетеді.
Митоздық жасуша циклының уақыты
Қос жіптің үзілуін гомологтық рекомбинация, полимераза тета арқылы араласқан ұшты біріктіру (TMEJ) немесе гомолог емес ұшты біріктіру (NHEJ) арқылы қалпына келтіруге болады. NHEJ - бұл ДНК-ны жөндеу механизмі, ол гомологтық рекомбинациядан айырмашылығы, жөндеуді басқару үшін ұзақ гомологтық тізбекті қажет етпейді. Екі жіптің үзілуін қалпына келтіру үшін гомологтық рекомбинация немесе NHEJ қолданылуы негізінен жасуша циклінің фазасына байланысты. Гомологты рекомбинация жасуша митозға (M фаза) енгенге дейін ДНК-ны жөндейді. Ол ДНК репликациясы кезінде және одан кейін, яғни S және G2 фазаларында, сестриндік хроматидтер оңай қол жетімді болған кезде пайда болады. Гомологты хромосомалармен салыстырғанда, олар басқа хромосомаға ұқсас, бірақ көбінесе әртүрлі аллельдері бар, бауырлас хроматидтер гомологты рекомбинация үшін идеалдық үлгі болып табылады, өйткені олар берілген хромосоманың бірдей көшірмесі болып табылады. Егер гомологты үлгіні табу мүмкін болмаса немесе гомологты рекомбинацияның ақаулығынан кейін оған қол жеткізу мүмкін болмаса, бұзылу клеткалық циклдің S және G2 фазаларында TMEJ арқылы қалпына келтіріледі. Гомологтық рекомбинация мен TMEJ-ден айырмашылығы, NHEJ жасуша циклінің G1 фазасында басым, яғни жасуша өсіп жатқанда, бірақ әлі де бөлінуге дайын емес. Ол G1 фазасынан кейін жиі кездеспейді, бірақ жасуша циклі бойына кем дегенде белгілі бір белсенділікті сақтайды. Ұяшық циклы бойына гомологтық рекомбинацияны және NHEJ реттейтін механизмдер түрлер арасында кеңінен өзгереді. Циклинге тәуелді киназалар (CDK), басқа белоктардың белсенділігін өзгерте отырып, оларға фосфат топтарын қосу (яғни фосфорилендіру) арқылы, эукариоттарда гомологты рекомбинацияның маңызды реттеушілері болып табылады. Фосфат қосылуы арқылы белсендірілгеннен кейін, Sae2 ДНК-ның қос жіп бұзылуының жанында таза кесуді тудырады. Бұл кесуден жауапты эндонуклеазаның Sae2 өзі ме, әлде басқа протеин Mre11 ме екені белгісіз. Бұл Mre11- ті қосатын, MRX кешені деп аталатын ақуыз кешенінің ДНК- мен байланысуына мүмкіндік береді және екі ДНК молекуласы арасында материал алмасатын ақуызға негізделген реакциялардың тізбесін бастайды.
Хроматиннің рөлі
Эукариоттық ДНК-ның хроматинге оралуы ферменттерді олардың әрекет ету орындарына тартуды талап ететін барлық ДНК-ға негізделген процестерге кедергі келтіреді. Гомологтық рекомбинация (HR) ДНК-ның қалпына келуіне мүмкіндік беру үшін хроматин қайта құрылуы керек. Эукариоттарда АТФ-ға тәуелді хроматинді қайта құру кешендері мен гистонды өзгертетін ферменттер бұл қайта құру процесін жүзеге асыру үшін қолданылатын екі басым фактор болып табылады. Хроматиннің серпілуі ДНК зақымдалған жерде тез пайда болады. Ең алғашқы қадамдардың бірінде стресс белсендірілген протеинкиназа, c Jun N терминалды киназа (JNK), екі жіптің үзілуіне немесе басқа ДНК зақымдануына жауап ретінде SIRT6 серин 10-да фосфорилендіреді. Бұл трансляциялық модификация SIRT6 - ның ДНК зақымдалған жерлерге жұмылдырылуын жеңілдетеді және ДНК сынық жерлеріне поли (АДФ рибоза) полимераза 1 (PARP1) - ні тиімді тарту және ДСБ- ның тиімді жөндеуі үшін қажет. Алдымен, хроматинді ремодельдеуші Alc1 PARP1 әрекеті өнімінің, поли-АДФ рибоза тізбегінің, тез қосылады және Alc1 зақымдану пайда болғаннан кейін 10 секунд ішінде ДНК зақымдануына жетеді. γH2AX (H2AX серин 139 фосфорилендірілген) жасушаларды сәулемен сәулеленгеннен кейін 20 секундтан кейін (ДНҚ қос жіптің үзілуімен) анықталуы мүмкін, ал γH2AX жартылай максималдық жинақталуы бір минут ішінде пайда болады. RNF8 нуклеосомалық ремоделирлеудің және деацетилазалық кешеннің компоненті CHD4 - мен өзара әрекеттесу арқылы кең көлемді хроматиннің деконденсациясын қамтамасыз етеді. ДНК зақымданудан кейін релаксациядан кейін, одан кейін ДНК жөндеуден кейін хроматин шамамен 20 минуттан кейін зақымдану алдындағы деңгейіне жақын тығыздалу күйіне оралады. Бұл орындарда SPO11 деп аталатын басқа белок рекомбинацияны катализдеп, қос жіптің үзілуін (DSB) бастайды, оның бір бөлігі гомолог хромосомамен рекомбинация арқылы қалпына келтіріледі. PRDM9 өзі байлаған жерлерде H3K4me3 және H3K36me3 гистон метилирлеу белгілерін де жинақтап қояды, ал бұл метилтрансфераза белсенділігі оның DSB орналасуындағы рөлі үшін маңызды. DSB-тар пайда болғаннан кейін резекция арқылы өңделеді, нәтижесінде бір жіпті ДНК (ssDNA) пайда болады, ол DMC1мен безендіріледі. Ортаңғы зиготеннен ерте пакитенге дейін, рекомбинациялық жөндеу процесінің бір бөлігі ретінде, DMC1 ssDNA-дан бөлініп, барлық үзілістер (XY хромосомаларындағыдан басқа) кеш пакитенде қалпына келтірілгенше азаяды. Бұл процеске басқа бірнеше белоктар қатысады, соның ішінде ZCWPW1, PRDM9 қос гистон белгілері тікелей орналастырған алғашқы белок. ZCWPW1 - орналасу үшін емес, біртекті DSB жөндеу үшін маңызды.
Модельдер
Гомологтық рекомбинацияның ДНК-дағы қос жіптің үзілуін қалай қалпына келтіретінін көрсететін екі негізгі модель - қос жіптің үзілуін қалпына келтіру жолы (DSBR) (кейде қос Холлидей түйісу моделі деп аталады) және синтезге тәуелді жіптің оттануы (SDSA) жолы. Екі жолдың алғашқы бірнеше қадамы ұқсас. Екі жіптің үзілуі болғаннан кейін MRX кешені (адамда MRN кешені) үзілістің екі жағындағы ДНК- мен байланысады. Бұдан кейін резекция жүргізіледі, онда үзілістің 5' шетіндегі ДНК қайта кесіледі. Бұл екі түрлі қадаммен жүзеге асады: алдымен MRX кешені Sae2 ақуызын жалдайды, ал бұл екі ақуыз үзілістің екі жағындағы 5' ұштарын қысқартып, 3' қысқа бір жіпті ДНК-ның үстіне шығады; екінші кезеңде 5'→3' резекция Sgs1 геликазасы мен Exo1 және Dna2 нуклеазаларымен жалғасады. Геликаза ретінде Sgs1 қос жіпті ДНК-ны "азалайды", ал Exo1 және Dna2 нуклеаза белсенділігі оларға Sgs1 өндіретін бір жіпті ДНК-ны кесуге мүмкіндік береді. Процесті араласқан бірнеше басқа ақуыздардың көмегімен Rad51 ақуыз (және мейоз кезінде Dmc1) RPA-мен қапталған ДНК-ның бір жіпінде нуклеин қышқылы мен ақуыздың сүзіне айналады. Бұл нуклеопротеиндік сүт 3' үстіртке ұқсас ДНК тізбектерін іздеуді бастайды. Мұндай реттілікті тапқаннан кейін, жалғыз жіпті нуклеопротеиндік сүзік жіптің инвазиясы деп аталатын процесте ұқсас немесе бірдей қабылдаушы ДНК дуплексіне (инвазияға) өтеді. Митоз арқылы бөлінген жасушаларда, қабылдаушы ДНК дуплексі, әдетте, апаттанған ДНК молекуласына ұқсас және жөндеуге арналған үлгі береді. Алайда мейоз кезінде қабылдаушы ДНК ұқсас, бірақ міндетті түрде бірдей емес гомолог хромосомадан болады. Хромосомалық кроссовердің осы үрдісі себепті DSBR жолы мейоз кезінде кроссоверлік гомологтық рекомбинацияның қалай пайда болатынын көрсететін ықтимал модель болып табылады.
SDSA жолы
SDSA жолы арқылы гомологты рекомбинация митоз және мейоз арқылы бөлінген клеткаларда пайда болады және кроссоверлік емес өнімдерге әкеледі. Бұл модельде 3' инвазиялық жіп ДНК-полимераза арқылы қабылдаушы ДНК дуплексі бойымен ұзартылады және донор мен қабылдаушы ДНК молекулалары арасындағы Холлидейлік түйісу слайдтары тармақ көшірімі деп аталатын процесте босатылады. Жаңадан синтезделген 3' ені енген талдың екінші 3' ені зақымдалған хромосомаға қосымша негіздер жұптасу арқылы қосыла алады. Жіптер ыдырап кеткеннен кейін, кейде ДНК-ның кішкентай жапырағы қалады. Мұндай жапсырмалар алынып тасталады және SDSA жолы кез келген қалған бір жіпті саңылаулардың қайта жабылуымен аяқталады. Митоз кезінде ДНК қос жіптің үзілуін жөндеу үшін негізгі гомологтық рекомбинация жолы SDSA жолы (DSBR жолынан гөрі) болып көрінеді. SDSA жолы кроссоверлік емес рекомбинаттарды (сурет 5) береді. Мейоз кезінде кроссоверлік емес рекомбинациялар жиі кездеседі және олар SDSA жолы арқылы да пайда болады. Мейоз кезінде пайда болатын кроссоверлік емес рекомбинация оқиғалары ДНК қос жіптік зақымданудың немесе басқа да ДНК зақымдануларының қалпына келуін көрсетеді.
SSA жолы
Гомологты рекомбинацияның бір жіпті оттану (SSA) жолы екі қайталану тізбегінің арасындағы қос жіпті үзілістерді қалпына келтіреді. SSA жолы хомологты рекомбинацияның DSBR немесе SDSA жолдары сияқты ДНҚ-ның ұқсас немесе бірдей молекуласын талап етпейтіндігімен ерекшеленеді. Оның орнына SSA жолы тек бір ДНК дуплексін қажет етеді және қайталану тізбектерін гомологты рекомбинацияның жөндеу үшін қажет болатын бірдей тізбектер ретінде пайдаланады. Бұл жолдың тұжырымдамасы салыстырмалы түрде қарапайым: бір ДНК дуплексінің екі жікшігі екі жікшік үзілу орнының айналасында кесілгеннен кейін, екі 3' шығыршығы бірігіп, бір-біріне қосылады, ДНК үздіксіз дуплекс ретінде қалпына келтіріледі. Қос жіптің үзілуінің айналасындағы ДНК-ның кемуі нәтижесінде, бір жіпті 3' үстірттері RPA ақуызбен қапталады, бұл 3' үстірттерінің өздеріне жабысуына жол бермейді. Rad52 деп аталатын белок бұзылудың екі жағындағы қайталау тізбектерінің әрқайсысын байлайды және оларды екі қосымша қайталау тізбектерінің біріктірілуіне мүмкіндік беру үшін сәйкестендіреді. Жаңа ДНК синтезі кез келген бос жерлерді толтырады, ал лигация ДНК дуплексін екі үздіксіз жіп ретінде қалпына келтіреді. Қайталанулар арасындағы ДНК реттілігі әрқашан жоғалады, екі қайталанудың бірі сияқты. SSA жолы мутагенді деп саналады, өйткені ол генетикалық материалды осындай өшірулерге әкеледі. BIR жолы сонымен қатар теломеразаның болмауы кезінде (немесе онымен бірлесе отырып) теломерлердің ұзындығын (эукариотикалық хромосомалардың соңындағы ДНК аймақтары) сақтауға көмектеседі. Теломераза ферментінің жұмыс істейтін көшірмелері болмаса, теломерлер митоздың әрбір циклымен қысқарады, бұл клетканың бөлінуін тоқтатып, қартаюға әкеледі. Теломеразаның мутациялар арқылы белсенділігі жойылған ашытқы жасушаларында екі түрдегі " аман қалған " жасушалар BIR жолдары арқылы теломерлерін ұзарту арқылы күткеннен ұзақ қартаюдан аулақ болатыны байқалады. Бұл факт ғалымдарды теломерлерді сақтаудың рекомбинацияға негізделген механизмдері теломераза ингибиторлары сияқты қатерлі ісікке қарсы препараттарды тежей алатындығын зерттеуге итермеледі.
Бактерияларда
Гомологты рекомбинация - бактериялардағы негізгі ДНҚ-ны жөндеу процесі. Бұл процес мейотикалық рекомбинациядан едәуір өзгеше болғанымен, бактериялық популяцияларда генетикалық әртүрлілікті өндіру үшін де маңызды, бұл процес ДНК зақымдануын қалпына келтіреді және эукариоттық геномдардың әртүрлілігін тудырады. Гомологты рекомбинация көбінесе зерттелді және ең жақсы түсінікті болып табылады Escherichia coli. Бактериядағы қос жіпті ДНК сынықтары гомологтық рекомбинацияның RecBCD жолы арқылы жөнделеді. Бір жіптік саңылау деп аталатын екі ДНК-ның тек бір ғана жіпінде пайда болатын сынықтар RecF жолымен жөнделеді деп есептеледі. RecBCD және RecF жолдарының екеуінде де тармақтық көші-қон деп аталатын бірнеше реакциялар бар, онда екі қиылысқан ДНК молекулалары арасында бір ДНК жіптері алмастырылады және шешім, онда екі қиылысқан ДНК молекулалары бөлініп, қалыпты қос жіпті күйіне қайта оралады.
RecBCD жолы
RecBCD жолы - көптеген бактерияларда ДНҚ-ның қос жіпті үзілуін жөндеу үшін қолданылатын негізгі рекомбинациялық жол, ал белоктар бактериялардың кең ауқымында кездеседі. Бұл қос жіптің үзілуіне УФ-сәуле және басқа сәулелер, сондай-ақ химиялық мутагендер себеп болуы мүмкін. Қос жіптің үзілуі ДНК-ның бір жіптің үзілуі немесе аралығы арқылы репликациялануы арқылы да пайда болуы мүмкін. Мұндай жағдай репликацияның құлдыраған бұрандасы деп аталатын жағдайды тудырады және ол бірнеше гомологтық рекомбинация жолдарымен, соның ішінде RecBCD жолымен бекітіледі. Бұл жолда RecBCD деп аталатын үш суббұрыш фермент кешені екілітілі ДНҚ-ның бұзылуының сопақ немесе сопақ жағына байлану арқылы рекомбинацияны бастайды. RecBCD ДНК-ның ұшына байланғаннан кейін, RecB және RecD кіші бірліктері геликаза белсенділігі арқылы ДНК-ның дуплексін ашып бастайды. RecB-нің кіші бірлігінде нуклеаза домені де бар, ол ДНК-ның бір жіпін кесіп, оны түймеден шығару процесінен шығады. Бұл түймешікті шешу RecBCD Chi сайты деп аталатын белгілі бір нуклеотидті тізбекке (5' GCTGGTGG 3') тап болғанға дейін жалғасады. ДНК-ның бүлінуі бірнеше секундқа тоқтап, содан кейін бастапқы жылдамдықтың жартысына жуығында қайта жалғасады. Бұл, мүмкін, баяу RecB геликазасы Chi-ден кейін ДНК-ны бұзады, ал жылдам RecD геликазасы емес, ол Chi-ден бұрын ДНК-ны бұзады. Chi-нысанды тану RecBCD ферментін де өзгертеді, сондықтан ол Chi-мен ДНК желісін кесіп, жаңадан пайда болған 3'- аяғы бар бір желілі ДНК-ға бірнеше RecA ақуыздарын жүктей бастайды. Нәтижесінде пайда болған RecA-мен қапталған нуклеопротеиндік сүтқорық содан кейін гомолог хромосомадағы ДНҚ-ның ұқсас тізбектерін іздейді. Іздеу процесі ДНК дуплексінің созылуын тудырады, бұл гомологияны тануды арттырады (конформациялық корректура деп аталатын механизм). Мұндай реттілікті тапқаннан кейін, жалғыз жіпті нуклеопротеиндік сүзік жіптің инвазиясы деп аталатын процесте гомологты қабылдаушы ДНК дуплексіне өтеді. 3' үстіртке ену арқылы қабылдаушы ДНК-ның бір буыны ығысып, D циклін құрайды. Егер D циклін кесіп тастаса, тағы бір алмасу арқылы үтірлер Holliday түйіспесі деп аталатын көлденең пішінді құрылымды құрайды. RecF жолдарында RecQ геликазасы ДНК-ны бүлдіреді, ал RecJ нуклеазасы 5' ұшы бар жіпті бүлдіреді, 3' ұшы бар жіптің бұзылуы болмайды. RecA ақуызы осы жіпке байланады және RecF, RecO және RecR ақуыздарымен көмектеседі немесе олармен тұрақтандырылады. RecA нуклеопротеиндік сүзігі содан кейін гомологты ДНК-ны іздейді және гомологты ДНК-дағы бірдей немесе шамамен бірдей жіппен орын алмасады. Олардың бастапқы фазаларына қатысатын ақуыздар мен ерекше механизмдер әртүрлі болғанымен, екі жолдың екеуіне де 3' ұшы бар бір жіпті ДНК және жіптің инвазиясы үшін RecA ақуызды қажет етуде ұқсас. Жолдар, сондай-ақ, олардың тармақтардың көшіп-қону фазаларында ұқсас, онда Холлидей түйіні бір бағытта сүрлінеді және Холлидей түйіндері ферменттермен бөлініп шығады. Альтернативті, өзара емес шешім түрі де кез-келген жолмен болуы мүмкін.
Филиал көшірілуі
Желпек инвазиясынан кейін бірден Холлидей түйіні тармақ көшіру процесінде байланысты ДНҚ бойымен қозғалады. Дәл осы Холлидей түйіні қозғалысында екі гомолог ДНК дуплексі арасындағы негіздер жұптары алмасады. Жапырақтың көшіп кетуін катализациялау үшін RuvA ақуыз алдымен Холлидей түйініне байланады және RuvAB кешенін қалыптастыру үшін RuvB ақуызын жалдайды. RuvB ақуыздарының екі жиынтығы, олардың әрқайсысы сақина тәрізді АТФазаны құрайды, олар Холлидей түйіспесінің қарама-қарсы жақтарына жүктеледі, онда олар тармақтардың көшіп кетуіне күш беретін қос насос ретінде әрекет етеді. RuvB-ның осы екі сақинасының арасында RuvA ақуыздарының екі жиынтығы Холлидей түйіспесінің ортасында жиналады, сондықтан түйіспедегі ДНК RuvA-ның әр жиынтығының арасында орналасады. ДНК-ның екі дуплексі - "донор" және "реципиент" дуплекстерінің желілері RuvA бетіне бүктеліп, бір дуплекстен екіншісіне ақуызбен бағытталады.
Қаулы
Рекомбинацияның шешім кезеңінде жіптің инвазиясы процесінде пайда болған кез келген Холлидейлік түйіндер кесіледі, осылайша екі бөлек ДНК молекуласы қалпына келтіріледі. Бұл бөліну RuvAB кешенінің RuvC-мен өзара әрекеттесуі арқылы жүзеге асырылады, олар бірге RuvABC кешенін құрайды. RuvC деген дегенеративті тізбекті 5' (A/T) TT(G/C) 3' кесуші эндонуклеаза болып табылады. Бұл тізбекті ДНК-да жиі кездестіреді, шамамен 64 нуклеотидке бір рет.
Генетикалық көшірмені жеңілдету
Гомологты рекомбинация - донор ДНК-сын қабылдаушы организмнің геномына горизонталь гендер беру кезінде интеграциялаудың маңызды әдісі, бұл процесс арқылы ағза басқа организмнің ұрпағы болмай-ақ, басқа организмнің шетелдік ДНК-сын қамтиды. Гомологты рекомбинация кіріс ДНК-ның қабылдаушы геномға өте ұқсас болуын талап етеді, сондықтан горизонталь гендер беру әдетте ұқсас бактериялармен шектеледі. Бактериялардың бірнеше түрлерін зерттеулер рекомбинация жиілігінің логарифмдік сызықтық төмендеуін анықтады, бұл қоныс тегі мен қабылдаушы ДНК арасындағы реттілік айырмашылығының артуымен байланысты. Бактериялық конъюгация кезінде ДНК бактериялар арасында тікелей жасушалық байланысқа көшіріледі, гомологты рекомбинация RecBCD жолы арқылы жат ДНК-ны хосттың геномына біріктіруге көмектеседі. RecBCD ферменті ДНК-ның репликация кезінде бір жіпті ДНК-дан (бактерияға алғаш енген түрінде) қос жіпті ДНК-ға түрленуі арқылы рекомбинацияны қамтамасыз етеді. RecBCD жолы трансдукцияның соңғы кезеңі үшін де маңызды, ол - ДНК-ның бір бактериядан екіншісіне вирустың көмегімен берілетін көлденең геннің көшіру түрі. Кейде бактериялық ДНК бактериофаг вирусының бөлшектерінің капсид басына қате кіріктіріледі, өйткені ДНК вирустың репликациясы кезінде жаңа бактериофагтарға буып-түйіледі. Бұл жаңа бактериофагтар басқа бактерияларды жұқтырғанда, алдыңғы қоныс бактериясының ДНК-сы қос жіпті ДНК түрінде жаңа бактериялық қоныс бактериясына енгізіледі. RecBCD ферменті бұл қос жіпті ДНК-ны жаңа бактерияның геномына енгізеді. Демек, трансформация - бұл ДНК-ны көшіру үшін бактериялардың бейімделуі. Бактерияның донордың ДНК-сын хомологтық рекомбинация арқылы өзінің резиденттік хромосомасына байлау, қабылдау және интеграциялау үшін ол алдымен құзыреттілік деп аталатын ерекше физиологиялық күйге кіруі керек. RecA/Rad51/DMC1 гендер тобы бактериялық трансформация кезінде гомологтық рекомбинацияда, сондай-ақ эукариоттық мейоз және митоз кезінде де орталық рөл атқарады. Мысалы, RecA ақуызы Bacillus subtilis және Streptococcus pneumoniae түрлендіру үшін маңызды, ал RecA генінің экспрессиясы осы организмдерде түрлендіруге қабілеттілікті дамыту кезінде пайда болады. Трансформация процесінің бір бөлігі ретінде RecA ақуызы кіретін бір жіпті ДНК (ssDNA) -мен өзара әрекеттесіп, RecA/ssDNA нуклеофилименттерін құрайды, олар резиденттік хромосоманы гомология аймақтары үшін сканерлейді және кіретін ssDNA-ны тиісті аймаққа әкеледі, онда жіп алмасу және гомологты рекомбинация болады. Осылайша бактериялық трансформация кезінде гомологтық рекомбинация процесі мейоз кезінде гомологтық рекомбинацияға негізгі ұқсастықтарға ие.
Вирустарда
Гомологты рекомбинация бірнеше вирус топтарында кездеседі. Герпес вирусы сияқты ДНК вирустарында рекомбинация бактериялар мен эукариоттардағыдай үзіліс және қайта қосылу механизмі арқылы жүреді. Кейбір РНК вирустарында, атап айтқанда ретровирустар, пикорнавирустар және коронавирустар сияқты оң сезімді ssRNA вирустарында рекомбинацияға дәлел бар. Грипп сияқты сссРНК вирустарының теріс мағынасында гомологтық рекомбинация бола ма, жоқ па деген мәселе бойынша дау бар. РНҚ вирустарында гомологтық рекомбинация нақты немесе нақты емес болуы мүмкін. РНК РНК рекомбинациясының нақты түрінде екі ата-ана РНК реттілігі мен нәтижесінде пайда болған кроссоверлік РНК аймағы арасында айырмашылық жоқ. Осыған байланысты екі рекомбинацияланған РНК тізбектерінің арасындағы кроссоверлік оқиғалардың орнын анықтау жиі қиын. РНК-ның дәл емес гомологтық рекомбинациясында кроссоверлік аймақтың ата-ана РНК тізбектерімен кейбір айырмашылығы бар нуклеотидтерді қосу, жою немесе басқа да өзгерту арқылы пайда болады. Кроссовердегі дәлдік деңгейі РНК-ның екі рекомбинациялық желісінің реттілік контексімен бақыланады: аденин мен уракцилге бай реттіліктер кроссовердің дәлдігін төмендетеді. Гомологты рекомбинация вирустың эволюциясын жеңілдетуде маңызды. Мысалы, егер екі вирустың геномдары әр түрлі қолайсыз мутацияларға ұшыраса, онда олар толықтай жұмыс істейтін геномды қалпына келтіре алады. Егер екі ұқсас вирус бір қоныс клеткасын жұқтырса, гомологты рекомбинация осы екі вирустың гендерін алмастыруына және осылайша өздерінің күшті түрлерін дамытуға мүмкіндік береді. Екі немесе одан да көп вирустар, олардың әрқайсысында өлімге әкелетін геномдық зақым бар, бір қоныс клеткасын жұқтырғанда, вирустың геномдары бір-бірімен жұптасып, өмір сүретін ұрпақ алу үшін гомологты рекомбинациялық жөндеуден өтеді. Бұл процесс көптік реактивациясы деп аталады және бірнеше бактериофагтарда, соның ішінде T4 фагта зерттелді. Т4 фагта рекомбинациялық жөндеуде қолданылатын ферменттер бактериялық және эукариоттық рекомбинациялық жөндеуде қолданылатын ферменттерге функционалдық жағынан гомологты. Әсіресе, жіп алмасу реакциясы үшін қажетті генге қатысты, ол гомологты рекомбинациялық жөндеудің негізгі қадамы, вирустардан адамға функционалдық гомология бар (мысалы, T4 фагындағы uvsX; E. coli және басқа бактериялардағы recA, және ашытқылар мен басқа да эукариоттарда rad51 және dmc1, оның ішінде адам). Көптік реактивациясы көптеген патогендік вирустарда да көрсетілді.
Коронавирус
Коронавирустар генетикалық рекомбинацияға қабілетті, егер бір инфекцияланған клеткада кем дегенде екі вирустық геном болса. РНҚ рекомбинациясы (1) Коронавирустың бір түрінің генетикалық өзгермелілігін, (2) Коронавирустың бір түрінен екіншісіне көшу қабілетін және (3) сирек кездесетін жаңа Коронавирустардың пайда болуын анықтауда негізгі қозғаушы күш болып көрінеді. Коронавирустардағы рекомбинация механизмі геном репликациясы кезінде үлгі ауысуын қамтиды. Пандемиялық SARS CoV 2 рецепторларына тұтастай байлау мотиві панголиндердің коронавирустарынан рекомбинация арқылы енгізілген сияқты. Мұндай рекомбинация оқиғасы SARS CoV 2 вирусының адам жұқтыратын қабілетінің эволюциясындағы маңызды қадам болуы мүмкін. 2020 жылы COVID-19 пандемиясы кезінде австралиялық SARS-CoV-2 изоляттарының көптеген геномдық тізбектерінде коронавирус 3′ дің II циклдік мотивінде (s2m) (29742G>A немесе 29742G>U; "G19A" немесе "G19U") делециялар немесе мутациялар болды, бұл вирустық геномның 3′ аудармалмаған аймағындағы РНК мотивін көрсетеді, бұл РНК рекомбинациясы оқиғалары SARS CoV 2 s2m-де орын алған болуы мүмкін. Recco алгоритмін қолдана отырып, 1319 Австралия SARS-CoV-2 реттілігінің есептеулік талдауына негізделген (https://recco. биоинф. және т. б. МПГ. de/), 29742G (("G19"), 29744G (("G21") және 29751G (("G28") рекомбинациялық ыстық нүктелер ретінде болжалды. Diamond Princess круизіндегі SARS CoV 2 індеті, мүмкін, Ухань WIV04 оқшауланғандарына ұқсас вирустың бір түрімен жұқтырған бір адамнан немесе 11083G > T мутациясы бар вирусты жұқтырған басқа бірден біріншілік жағдайдан басталған. Байланыс тепе- теңдігін талдау РНК рекомбинациясы 11083G > T мутациясы вирустық ұрпақ арасында мутациялардың көбеюіне ықпал еткенін растады. Табылған мәліметтер SARS CoV 2 11083G > T мутациясының кемедегі карантин кезінде тарағанын және оң селекциялық қысым кезінде de novo РНК рекомбинациясы арқылы пайда болғанын көрсетеді. Сонымен қатар, осы круиздегі үш науқаста коронавирус 3′ дің II-ші ілмекті мотивінде (s2m) 29736G > T және 29751G > T ("G13" және "G28") деген екі мутация табылды, өйткені "G28" австралиялық SARS CoV 2 мутанттарының рекомбинациялық нүктелері ретінде болжалды. s2m көптеген коронавирустық түрлер арасында жоғары сақталған РНК мотив болып саналатынына қарамастан, бұл нәтиже SARS CoV 2-дің s2m-і РНК рекомбинациясы / мутациясы ыстық нүктесі екенін көрсетеді.
Функция бұзылуының әсері
Дұрыс гомологты рекомбинациясыз хромосомалар мейоз кезінде жасушаның бірінші фазасына дұрыс орналаспайды. Бұл хромосомалардың дұрыс бөлінбей қалуына әкеледі. Өз кезегінде, недисжункция сперматозоид пен жұмыртқаның хромосомаларының аз немесе көп болуына әкелуі мүмкін. 21-хромосоманың қосымша көшірмесі туғызатын Даун синдромы - мейоз кезінде гомологтық рекомбинацияның осындай сәтсіздікінен туындайтын көптеген аномалиялардың бірі. Гомологтық рекомбинацияның жетіспеушілігі адамдарда қатерлі ісік пайда болуына байланысты. Мысалы, Блум синдромы, Вернер синдромы және Ротмунд-Томсон синдромы сияқты қатерлі ісіктерге байланысты аурулардың әрқайсысы гомологтық рекомбинацияны реттеуге қатысатын RecQ геликаза гендерінің дұрыс жұмыс істемейтін көшірмелері себеп болады: тиісінше BLM, WRN және RECQL4. Блум синдромы бар пациенттердің жасушаларында, оларда BLM ақуызының жұмыс істейтін көшірмесі жоқ, гомологты рекомбинацияның жоғары жылдамдығы байқалады. БЛМ жетіспейтін тышқандарда жүргізілген эксперименттер мутацияның гомологтық рекомбинацияның артуы салдарынан гетерозигоздықтың жоғалуы арқылы қатерлі ісікке әкелетінін көрсетті. Гетерозигоздықтың жоғалуы - геннің екі нұсқасының немесе аллельдерінің бірінің жоғалуы. Егер жоғалған аллельдердің бірі ісікті басуға көмектесе ал, мысалы, ретинобластома ақуызын құрайтын генге ұқсаса, онда гетерозигоздықтың жоғалуы қатерлі ісікке әкелуі мүмкін. Гомологтық рекомбинацияның төмендеуі ДНК-ның тиімсіз қалпына келуіне әкеледі. BRCA2 генатының білетін жалғыз қызметі гомологтық рекомбинацияны бастауға көмектесу болғандықтан, зерттеушілер BRCA2 генатының гомологтық рекомбинациядағы рөлін егжей-тегжейлі білу сүт безі мен жұмыртқа безі қатерлі ісігінің себептерін түсінудің кілті болуы мүмкін деп болжады.
Эволюциялық қорғау
Жолдар механикалық жағынан әр түрлі болуы мүмкін, бірақ организмдердің гомологты рекомбинация жасау қабілеті өмірдің барлық салаларында жалпы сақталады. Олардың амин қышқылдар реттілігінің ұқсастығына сүйенсек, көптеген белоктардың гомологтары өмірдің бірнеше салаларында кездеседі, бұл олардың ұзақ уақыт бұрын дамығанын және содан бері ортақ ата-бабалар ақуыздарынан бөлініп кеткенін көрсетеді. Гомологтық рекомбинация үшін маңызды және басқа да көптеген процестер үшін маңызды болып табылатын байланысты бір жіпті белдіктер өмірдің барлық салаларында кездеседі. Rad54, Mre11, Rad50 және басқа да бірнеше белоктар археяларда да, эукариоттарда да кездеседі.
RecA рекомбиназалар туысы
RecA рекомбиназалар тобының ақуыздары жалпы ата-баба рекомбиназасынан тараған деп есептеледі.
Мейозға тән ақуыздар
Гиардияның бірнеше түрінде Dmc1 табылғаны, яғни эукариот ретінде бөлініп шыққан алғашқы протестердің бірі, мейотикалық гомологтық рекомбинация - және осылайша мейоздың өзі - эукариоттық эволюцияның ерте кезеңінде пайда болды деп болжайды. Dmc1- ге зерттеулерден басқа Spo11 ақуызын зерттеу мейотикалық рекомбинацияның пайда болуына қатысты ақпарат берді. Spo11 - ІІ типті топоизомераза, ДНК-да мақсатты қос жіпті үзілістерді жасау арқылы мейоз кезінде гомологтық рекомбинацияны бастауы мүмкін. Жануарлар, саңырауқұлақтар, өсімдіктер, протестер мен археяларда SPO11-ге ұқсас гендер тізбектеріне негізделген филогенетикалық ағаштар ғалымдарды Spo11 нұсқасы эукариоттар мен археялардың соңғы ортақ ата-бабасында пайда болды деп сендірді. Бұл әдіс, гендік таргеттеу деп те аталады, әсіресе ашытқы мен тышқан генетикасында кең таралған. Нокаут тышқандардағы генді нысаналау әдісі тышқанның эмбрионалды түбір жасушаларын қолдан жасалған генетикалық материалды (негізінен терапиялық мәнге ие) жеткізу үшін пайдаланады, бұл тышқанның мақсатты генін гомологты рекомбинация принципі бойынша басады. Осылайша, тышқан белгілі бір сүтқоректі генінің әсерін түсіну үшін жұмыс моделі ретінде қызмет етеді. Эмбрионалды дің жасушалары арқылы тышқанның генетикалық өзгерістерін енгізу үшін гомологтық рекомбинацияны қалай қолдануға болатынын ашқаны үшін Марио Капекки, Мартин Эванс және Оливер Смиттиске 2007 жылғы физиология немесе медицина саласындағы Нобель сыйлығы берілді. Гендік мақсатты технологиялардың жетістіктері жасушалардың гомологтық рекомбинациялық механизмін басып алады, бұл жаңа тоқтамның дамуына әкеледі, адам ауруларының толығырақ, изогендік модельдері. Бұл инженериялық адам жасушаларының үлгілері олардың мысық үлгілерінің үлгілеріне қарағанда адам ауруларының генетикасын толығырақ көрсетеді деп есептеледі. Мұның себебі - эндогендік гендерге қызығушылық туғызатын мутациялар, олар нақты пациенттерде кездесетіндей, және олар тышқан гендері емес, адам гендеріне негізделгендіктен. Сонымен қатар, кейбір технологиялар ескі гендік мақсатты технологиялармен байланысты тек қана нокаут емес, белгілі бір мутацияны нокаут етуге мүмкіндік береді.
Протеиндік инженерия
Гомологты рекомбинациямен протеиндік инженерия екі ата-аналық протеиннің фрагменттерін алмастыру арқылы химерлік протеиндерді дамытады. Бұл әдістер рекомбинация жоғары дәрежедегі реттілік әртүрлілігін енгізе алады, сонымен бірге белоктың үш өлшемді пішініне немесе үш өлшемді пішініне бүлу қабілетін сақтайды. Бұл басқа протеиндік инжинирингтік әдістермен, мысалы, кездейсоқ нүктелік мутагенезмен салыстырғанда, онда протеиннің қызметін сақтау ықтималдығы аминокислоталардың алмасуы артуымен экспоненциалды түрде төмендейді. Рекомбинация әдістерімен пайда болған химералар бүгу қабілетін сақтай алады, өйткені олардың ауыстырылған ата-аналық фрагменттері құрылымдық және эволюциялық жағынан сақталады. Бұл қайта құрастырылатын "құрылыс блоктары" ақуыз құрылымындағы әр түрлі амин қышқылдарының арасындағы физикалық байланыс нүктелері сияқты құрылымдық маңызды өзара әрекеттестіктерді сақтайды. Рекомбинацияға жарамды құрылымдық кіші бірліктерді анықтау үшін СКЕМА және статистикалық жұптастыруды талдау сияқты есептеу әдістерін қолдануға болады. Жаңа белоктарды жасау үшін гомологтық рекомбинацияға негізделген әдістер қолданылды. Рекомбинация арқылы ақуыздық инженерия цитохром P450 туысы деп аталатын ақуыздар тобының мүшелерінде жаңа функциялы химерлік ферменттер шығарды, олар адамдарда дәрі-дәрмектер, тамақ қоспалары және консерванттар сияқты бөгде қосылыстарды детоксикациялауға қатысады. BRCA мутациясы бар қатерлі ісік жасушаларының гомологтық рекомбинациядағы кемшіліктері бар, ал бұл кемшіліктерді пайдаланған дәрілер әзірленді және клиникалық сынақтарда сәтті қолданылды. PARP1 ингибиторы Olaparib жүрек қатерлі ісігінің дамуына қажетті BRCA1 немесе BRCA2 гендеріндегі мутациялар себеп болған сүт безі, жұмыртқа безі және простата қатерлі ісігінің ісіктерін қысқартты немесе тоқтатты. BRCA1 немесе BRCA2 болмаған кезде, басқа ДНК жөндеу механизмдері HR жетіспеушілігін өтеуі керек, мысалы, тоқтаған репликациялық бұрандалар үшін базалық экзизициялық жөндеу (BER) немесе қос жіптің үзілулері үшін гомолог емес ұшты біріктіру (NHEJ).