Введение
Биологический процесс
Преобразование генов – это процесс, в ходе которого одна последовательность ДНК замещает гомологичную последовательность, в результате чего последовательности становятся идентичными после события преобразования. Преобразование генов может быть аллелическим, то есть один аллель данного гена замещает другой аллель, или эктопическим, то есть одна параллоговая последовательность ДНК замещает другую.
Gene conversion is the process by which one DNA sequence replaces a homologous sequence such that the sequences become identical after the conversion event. Gene conversion can be either allelic, meaning that one allele of the same gene replaces another allele, or ectopic, meaning that one paralogous DNA sequence converts another.
Аллелическая конверсия генов
Аллелическая конверсия генов происходит во время мейоза, когда гомологичная рекомбинация между гетерозиготными локусами приводит к рассогласованию в спаривании оснований. Это рассогласование затем распознается и исправляется клеточными механизмами, в результате чего один из аллелей преобразуется в другой. Это может вызывать неменделевское разделение аллелей в половых клетках.
Неаллельная/эктопическая конверсия генов
Рекомбинация происходит не только во время мейоза, но и как механизм восстановления разрывов обеих нитей ДНК (DSB), вызванных повреждением ДНК. Эти DSB обычно восстанавливаются с использованием сестринской хроматиды поврежденной дуплексной структуры, а не гомологичной хромосомы, поэтому не приводят к конверсии аллелей. Рекомбинация также происходит между гомологичными последовательностями, расположенными в разных геномных локусах (паралогичными последовательностями), возникшими в результате предыдущих дупликаций генов. Считается, что конверсия генов, происходящая между паралогичными последовательностями (эктопическая конверсия генов), является причиной согласованной эволюции семейств генов.
Механизм
Преобразование одного аллеля в другой часто происходит из-за репарации некорректно спаренных оснований во время гомологичной рекомбинации: если одна из четырех хроматид во время мейоза образует пару с другой хроматидой, что может произойти из-за последовательной гомологии, может произойти перенос цепи ДНК, за которым следует репарация некорректных спариваний. Это может изменить последовательность одной из хромосом, делая ее идентичной другой. Мейотическая рекомбинация инициируется образованием двухцепочечного разрыва (DSB). 5'-концы разрыва затем подвергаются деградации, оставляя длинные 3'-одноцепочечные выступы длиной в несколько сотен нуклеотидов. Один из этих 3'-одноцепочечных фрагментов ДНК затем внедряется в гомологичную последовательность на гомологичной хромосоме, формируя промежуточное соединение, которое может быть восстановлено различными путями, приводящими либо к кроссоверу (CO), либо к некоссоверу (NCO). На различных этапах процесса рекомбинации образуется гетеродуплексная ДНК (двухцепочечная ДНК, состоящая из одноцепочечных фрагментов от каждой из двух гомологичных хромосом, которые могут быть как полностью комплементарными, так и нет). Когда в гетеродуплексной ДНК возникают неспаривания, последовательность одной цепи будет отрепарирована для обеспечения идеального комплементарного спаривания с другой цепью, что приведет к преобразованию одной последовательности в другую. Этот процесс репарации может протекать по одному из двух альтернативных путей, как показано на рисунке. По одному из путей формируется структура, называемая двойной структурой Холлидея (DHJ), что приводит к обмену цепями ДНК. По другому пути, называемому синтез-зависимым отжигом цепи (SDSA), происходит обмен информацией, но не физический обмен. Конверсия генов произойдет во время SDSA, если две молекулы ДНК гетерозиготны в месте рекомбинационной репарации. Конверсия генов также может происходить во время рекомбинационной репарации с участием DHJ, и эта конверсия генов может быть связана с физической рекомбинацией дуплексов ДНК по обе стороны от DHJ.
Предубежденная и непредвзятая конверсия генов
Склонное преобразование генов (BGC) происходит, когда один аллель имеет более высокую вероятность быть донором, чем другой, в событии преобразования генов. Например, при возникновении несоответствия T:G, оно с большей или меньшей вероятностью будет исправлено в пару C:G, чем в пару T:A. Это повышает вероятность передачи этого аллеля следующему поколению. Несмещенное преобразование генов означает, что обе возможности происходят с равной вероятностью.
Генетические заболевания человека
В обсуждениях генетических заболеваний у человека, генные конверсии, опосредованные псевдогенами, которые вносят патогенные мутации в функциональные гены, являются хорошо известным механизмом мутаций. Однако, возможно, что псевдогены могут служить матрицами. В ходе эволюции функциональные исходные гены, потенциально несущие преимущества, могли произойти от множественных копий единого исходного гена. Изменения, обусловленные псевдогенами, могли закрепиться, если не вызывали негативных последствий. Несмотря на это, возможность введения положительно селективных генетических изменений посредством такого механизма можно рассмотреть на примере SIGLEC11. Иногда вмешательство транспонируемых элементов в некоторые члены генной семьи приводит к вариациям между ними и, в конечном итоге, может замедлить скорость генной конверсии из-за недостатка сходства последовательностей, что ведет к дивергентной эволюции.
Геномный анализ
Из различных анализов генома было сделано заключение, что разрывы двойной нити (DSB) могут восстанавливаться посредством гомологичной рекомбинации как минимум двумя различными, но взаимосвязанными путями. В случае основного пути используются гомологичные последовательности с обеих сторон от DSB, что представляется аналогичным консервативной модели восстановления DSB, первоначально предложенной для мейотической рекомбинации у дрожжей. В то время как минорный путь ограничен только одной стороной DSB, как постулируется в неконсервативной модели одностороннего вторжения. Однако, в обоих случаях последовательность рекомбинационных партнеров будет абсолютно сохранена. В силу высокой степени гомологии, новые копии генов, возникшие после дупликации генов, естественным образом склонны к неравному кроссинговеру или однонаправленному преобразованию генов. В последнем процессе существуют последовательности-акцепторы и доноры, при этом последовательность акцептора заменяется последовательностью, скопированной с донора, в то время как последовательность донора остается неизменной. В исследованиях генов глобулинов человека давно установлено, что события конверсии генов или миграции ветвей могут быть как стимулированы, так и ингибированы специфическими мотивами, расположенными вблизи последовательности ДНК (Пападакис и Патринос, 1999).
Влияние
Обычно организм, унаследовавший разные копии гена от каждого из своих родителей, называется гетерозиготным. Это обычно обозначается как генотип: Aa (то есть одна копия варианта (аллеля) «А» и одна копия аллеля «а»). Когда гетерозигота образует гаметы посредством мейоза, аллели обычно дублируются и в конечном итоге оказываются в соотношении 2:2 в образовавшихся 4 клетках, являющихся прямыми продуктами мейоза. Однако при конверсии генов наблюдается соотношение, отличное от ожидаемого 2A:2a, где A и a – два аллеля. Примеры – 3A:1a и 1A:3a. Иными словами, в дочерних клетках может быть, например, в три раза больше аллелей A, чем аллелей a, как в случае соотношения 3A:1a.
Медицинская значимость
Конверсия генов, приводящая к мутации гена CYP21A2, является частой генетической причиной врожденной гиперплазии надпочечников. Соматическая конверсия генов – один из механизмов, который может вызывать семейную ретинобластому, врожденный рак сетчатки, и существует гипотеза о том, что конверсия генов может играть роль в развитии болезни Гентингтона.