Введение
Клеточный процесс
Хромосомный кроссовер, или пересечение, – это обмен генетическим материалом во время полового размножения между двумя несестринскими хроматидами гомологичных хромосом, в результате чего образуются рекомбинантные хромосомы. Это одна из заключительных фаз генетической рекомбинации, которая происходит на пакитенной стадии I профазы мейоза в процессе, называемом синапсом. Синапс начинается до развития синаптонемального комплекса и завершается лишь к концу профазы I. Кроссовер обычно происходит, когда соответствующие участки на соответствующих хромосомах разрываются, а затем восстанавливают связь с другой хромосомой. Кроссовер был описан в теории Томасом Хант Морганом; термин «кроссовер» был введен Морганом и Элет Каттелл. Хант опирался на открытие Франса Альфонса Янссена, который описал это явление в 1909 году и назвал его «хиазматипией». Термин «хиазма» связан, если не идентичен, с хромосомным кроссовером. Морган сразу же осознал большое значение цитологической интерпретации хиазм, предложенной Янссеном, для экспериментальных результатов его исследований наследственности дрозофилы. Физические основы кроссовера впервые были продемонстрированы Харриет Крейтон и Барбарой Макклинток в 1931 году. Частота кроссовера между двумя генами (маркерами) является значением кроссовера. При фиксированном наборе генетических и экологических условий рекомбинация в определенном участке структуры сцепления (хромосомы) обычно постоянна, и то же самое справедливо для значения кроссовера, которое используется при создании генетических карт. Когда Хотта и др. в 1977 году сравнили мейотический кроссовер (рекомбинацию) у лилии и мыши, они пришли к выводу, что различные эукариоты разделяют общую закономерность. Это открытие позволило предположить, что хромосомный кроссовер является общей характеристикой эукариотического мейоза.
Происхождение
Существуют две популярные и взаимосвязанные теории, объясняющие происхождение кроссинговера, вытекающие из различных теорий происхождения мейоза. Первая теория основывается на идее, что мейоз эволюционировал как еще один механизм репарации ДНК, и, следовательно, кроссинговер представляет собой новый способ замещения потенциально поврежденных участков ДНК. В 1931 году Барбара Макклинток обнаружила триплоидное растение кукурузы. Она сделала ключевые открытия относительно кариотипа кукурузы, включая размер и форму хромосом. Макклинток использовала стадии профазы и метафазы митоза для описания морфологии хромосом кукурузы, а позже впервые продемонстрировала цитологически кроссинговер в мейозе. Работая со студенткой Гарриет Крейтон, Макклинток также внесла значительный вклад в раннее понимание кодипендентности сцепленных генов.
Теория восстановления ДНК
Пересечение и репарация ДНК – очень похожие процессы, использующие многие одни и те же белковые комплексы. В своем докладе «Значение реакций генома на вызов» Макклинток изучала кукурузу, чтобы показать, как геном кукурузы изменяется для преодоления угроз ее выживанию. Она использовала 450 самоопыляемых растений, каждое из которых получило от каждого родителя хромосому с оборванным концом. Она использовала модифицированные паттерны экспрессии генов в различных секторах листьев своих растений кукурузы, чтобы показать, что транспонируемые элементы («контролирующие элементы») скрываются в геноме, и их подвижность позволяет им изменять действие генов в разных локусах. Эти элементы также могут реструктурировать геном, от нескольких нуклеотидов до целых сегментов хромосом. Рекомбиназы и примазы создают основу из нуклеотидов вдоль последовательности ДНК. Одним из таких специфических белковых комплексов, консервативных для обоих процессов, является RAD51 – хорошо консервативный рекомбиназный белок, который, как было показано, имеет решающее значение как для репарации ДНК, так и для пересечения. Ряд других генов *D. melanogaster* также были связаны с обоими процессами, поскольку мутанты в этих конкретных локусах не способны к репарации ДНК или пересечению. К таким генам относятся mei 41, mei 9, hdm и brca2. Эта большая группа консервативных генов между процессами подтверждает теорию тесной эволюционной взаимосвязи. Более того, репарация ДНК и кроссинговер, как было обнаружено, предпочитают схожие регионы на хромосомах. В эксперименте с использованием радиационной гибридной картировкой на 3B-хромосоме пшеницы (*Triticum aestivum* L.) было обнаружено, что кроссинговер и репарация ДНК происходят преимущественно в одних и тех же областях. Кроме того, кроссинговер коррелирует с возникновением в ответ на стрессовые и, вероятно, вызывающие повреждение ДНК условия.
Связь с бактериальными превращениями
Процесс бактериальной трансформации также имеет много общего с хромосомным кроссинговером, особенно в образовании одноцепочечных выступов на концах разорванной цепи ДНК, что позволяет новой цепи присоединиться к ней. Бактериальная трансформация многократно связывалась с репарацией ДНК. Вторая теория исходит из предположения, что мейоз эволюционировал из бактериальной трансформации, с функцией поддержания генетического разнообразия. Таким образом, эти данные позволяют предположить, что вопрос заключается в том, связан ли кроссинговер с репарацией ДНК или с бактериальной трансформацией, поскольку эти два процесса, по-видимому, не являются взаимоисключающими. Вероятно, кроссинговер мог развиться из бактериальной трансформации, которая, в свою очередь, произошла от репарации ДНК, что объясняет связи между всеми тремя процессами.
Химия
Мейотическая рекомбинация может инициироваться двунитевыми разрывами, которые вносятся в ДНК под воздействием ДНК-повреждающих агентов. Один или несколько экзонуклеаз затем переваривают 5'-концы, образованные двунитевыми разрывами, для создания 3'-однонитевых хвостов ДНК (см. диаграмму). Мейоз-специфическая рекомбиназа Dmc1 и общая рекомбиназа Rad51 покрывают однонитевую ДНК, формируя нуклеопротеиновые филаменты. Рекомбиназы катализируют вторжение однонитевой ДНК с одного конца разрыва в противоположную хроматиду. Далее, 3'-конец инвадирующей ДНК служит праймером для синтеза ДНК, вызывая вытеснение комплементарной цепи, которая впоследствии аннелирует с однонитевой ДНК, образованной с другого конца исходного двунитевого разрыва. Образующаяся структура представляет собой перекрестный обмен цепями, также известный как структура Холлидея. Контакт между двумя хроматидами, который вскоре приведет к кроссинговеру, известен как хиазма. Структура Холлидея представляет собой тетраэдрическую структуру, которую могут "перемещать" другие рекомбиназы, продвигая ее вдоль четырехнитевой структуры.
MSH4 и MSH5
Белки MSH4 и MSH5 образуют гетероолигомерную структуру (гетеродимер) у дрожжей и человека. У дрожжей Saccharomyces cerevisiae MSH4 и MSH5 специфически способствуют образованию кроссинговеров между гомологичными хромосомами во время мейоза. Однако, этот мутант привел к паттернам жизнеспособности спор, указывающим на то, что сегрегация не обменивавшихся хромосом происходила эффективно. Таким образом, в S. cerevisiae правильная сегрегация, по-видимому, не полностью зависит от кроссинговеров между гомологичными парами.
Киазма
Кобелька Melanoplus femur rubrum подвергали воздействию острой дозы рентгеновских лучей на каждой отдельной стадии мейоза, и измеряли частоту хиазм. Облучение на стадиях лептотены и зиготены мейоза (то есть до пахитены, в которой происходит кроссинговерная рекомбинация) приводило к увеличению последующей частоты хиазм. Аналогично, у саранчи Chorthippus brunneus воздействие рентгеновского облучения на стадиях зиготены и ранней пахитены вызывало значительное увеличение средней частоты хиазм в клетках. Частоту хиазм оценивали на поздних стадиях диплотены и диакинеза мейоза. Эти результаты позволяют предположить, что рентгеновские лучи индуцируют повреждения ДНК, которые восстанавливаются посредством кроссинговерного пути, приводящего к образованию хиазм.
Кроссоверы класса I и II
Двойные разрывы цепей ДНК (DSB) восстанавливаются двумя путями, приводящими к образованию кроссоверов у эукариот. Большинство из них восстанавливаются гомологами MutL – MLH1 и MLH3, что определяет кроссоверы класса I. Оставшиеся восстанавливаются по пути класса II, который регулируется эндонуклеазой MUS81 и транслоказой FANCM. Между этими двумя путями существуют взаимосвязи: кроссоверы класса I могут компенсировать потерю активности пути класса II. У мышей с нокаутом по гену MUS81 наблюдается увеличение числа кроссоверов класса I, при этом общее количество кроссоверов в хиазмах остается нормальным. Однако механизмы, лежащие в основе этого взаимодействия, изучены недостаточно. Недавнее исследование предполагает, что каркасный белок SLX4 может участвовать в этой регуляции. В частности, мыши с нокаутом по гену SLX4 демонстрируют фенотип, во многом схожий с фенотипом мышей с нокаутом по гену MUS81 – вновь наблюдается увеличение числа кроссоверов класса I при нормальном количестве хиазм. У мышей с нокаутом по гену FANCM путь класса II гиперактивирован, что приводит к увеличению числа кроссоверов, не зависящих от пути MLH1/MLH3.
Последствия
У большинства эукариотов клетка несет две версии каждого гена, каждая из которых называется аллелем. Каждый родитель передает один аллель каждому потомку. Индивидуальная гамета наследует полный гаплоидный комплемент аллелей на хромосомах, которые независимо отбираются из каждой пары хроматид, выстроенных на метафазной пластинке. Без рекомбинации все аллели генов, сцепленных на одной хромосоме, были бы унаследованы вместе. Мейотическая рекомбинация обеспечивает более независимое расхождение двух аллелей, занимающих позиции отдельных генов, поскольку рекомбинация перемешивает аллельный состав между гомологичными хромосомами. Рекомбинация приводит к новому расположению материнских и отцовских аллелей на одной хромосоме. Хотя одни и те же гены сохраняют один и тот же порядок, некоторые аллели различаются. Таким образом, теоретически возможно любое сочетание родительских аллелей у потомка, и тот факт, что два аллеля встречаются вместе у одного потомка, не влияет на статистическую вероятность того, что другой потомок получит ту же комбинацию. Этот принцип «независимого наследования» генов является фундаментальным для генетического наследования. Однако частота рекомбинации не одинакова для всех комбинаций генов. Это приводит к понятию «генетического расстояния», которое является мерой частоты рекомбинации, усредненной по достаточно большой выборке родословных. Если говорить упрощенно, это связано с тем, что рекомбинация сильно зависит от близости генов друг к другу. Если два гена расположены близко друг к другу на хромосоме, вероятность того, что событие рекомбинации разделит их, меньше, чем если бы они были дальше друг от друга. Генетическая связь описывает тенденцию генов наследоваться вместе из-за их расположения на одной хромосоме. Дисбаланс сцепления описывает ситуацию, когда некоторые комбинации генов или генетических маркеров встречаются в популяции чаще или реже, чем ожидалось бы, исходя из расстояния между ними. Эта концепция применяется при поиске гена, который может вызывать определенное заболевание, путем сравнения встречаемости определенной последовательности ДНК с проявлением заболевания. Если обнаружена высокая корреляция, вероятно, что соответствующая генная последовательность действительно расположена ближе. Эти повторяющиеся сегменты, часто называемые сателлитами, довольно однородны у представителей одного вида. Специфические причины нехомологичного кроссовера неизвестны, но известно несколько факторов, повышающих вероятность неравного кроссовера. Распространенным фактором, приводящим к несбалансированной рекомбинации, является восстановление двухцепочечных разрывов (ДЦР). ДЦР часто восстанавливаются с помощью репарации, направляемой гомологией – процесса, включающего вторжение цепи ДЦР в матричную цепь (см. рисунок ниже). Для восстановления часто используются близлежащие гомологичные участки матричной цепи, что может привести к вставкам или делециям в геноме, если используется негомологичный, но комплементарный участок матричной цепи. Это означает, что любой участок генома с длинными участками повторяющейся ДНК подвержен кроссоверным событиям. Наличие транспозонов является еще одним важным фактором нехомологичного кроссовера. Транспозоны характеризуются повторяющимися участками кода, а комплементарные, но негомологичные участки широко распространены в транспозонах. Поскольку хромосомные области, состоящие из транспозонов, содержат большое количество идентичного повторяющегося кода в ограниченном пространстве, считается, что области транспозонов, подвергающиеся кроссоверу, более склонны к ошибочному комплементарному спариванию. То есть, участок хромосомы, содержащий много идентичных последовательностей, при кроссовере с меньшей вероятностью соединится с идеально гомологичным участком комплементарного кода и с большей вероятностью свяжется с участком кода на немного другом участке хромосомы. Это приводит к несбалансированной рекомбинации, поскольку генетическая информация может быть либо вставлена, либо удалена в новую хромосому, в зависимости от места рекомбинации. Хотя мотивирующие факторы неравной рекомбинации остаются неясными, некоторые элементы физического механизма были установлены. Белки репарации неспаривания (MMR), например, представляют собой хорошо известное семейство белков, отвечающих за регулирование неспаренных последовательностей ДНК во время репликации и обход регуляции. Основная цель MMR – восстановление родительского генотипа. Один из классов MMR, MutSβ, известен своей способностью инициировать коррекцию вставок-делеций длиной до 16 нуклеотидов. Поэтому, хотя точно неизвестно, какие механизмы приводят к ошибкам нехомологичного кроссовера, весьма вероятно, что путь MMR участвует в этом процессе.