Введение
Гомлогичная рекомбинация - это тип генетической рекомбинации, при котором генетическая информация обменивается между двумя похожими или идентичными молекулами двухцепочечных или одноцепочечных нуклеиновых кислот (обычно ДНК, как в клеточных организмах, но может быть и РНК в вирусах). Гомологичная рекомбинация широко используется клетками для точного восстановления повреждений ДНК, которые происходят на обоих нити ДНК, известных как двойные нити (DSB), в процессе, называемом гомологичным рекомбинационным восстановлением (HRR). Гомологичная рекомбинация также производит новые комбинации последовательностей ДНК во время мейоза, процесса, посредством которого эукариоты создают клетки гамет, такие как сперматозоиды и яйцеклетки у животных. Эти новые комбинации ДНК представляют генетические вариации в потомстве, что, в свою очередь, позволяет популяциям адаптироваться в ходе эволюции. Гомологичная рекомбинация также используется при горизонтальной передаче генов для обмена генетическим материалом между различными штаммами и видами бактерий и вирусов. Горизонтальная передача генов является основным механизмом распространения устойчивости к антибиотикам у бактерий. Хотя гомологическая рекомбинация широко варьируется среди различных организмов и типов клеток, для двойной нитевой ДНК (dsDNA) большинство форм включают в себя те же основные шаги. После того, как происходит разрыв двойной нити, участки ДНК вокруг 5' концов разрыва отрезаются в процессе, называемом резекцией. На следующем этапе инвазии нити, вывешенный 3' конец сломанной молекулы ДНК затем "вторгается" в аналогичную или идентичную молекулу ДНК, которая не сломана. После вторжения в нить, дальнейшая последовательность событий может следовать по одному из двух основных путей, обсуждаемых ниже (см. Модели); DSBR (двойной путь восстановления разрыва нитей) или SDSA (отжигание нитей, зависящее от синтеза). Гомологичная рекомбинация, которая происходит во время восстановления ДНК, имеет тенденцию приводить к не перекрестным продуктам, фактически восстанавливая поврежденную молекулу ДНК, как она существовала до разрыва двойной нити. Гомологичная рекомбинация сохраняется во всех трех областях жизни, а также в вирусах ДНК и РНК, что говорит о том, что это почти универсальный биологический механизм. Обнаружение генов гомологичной рекомбинации у протоистов - разнообразной группы эукариотических микроорганизмов - интерпретируется как доказательство того, что гомологичная рекомбинация возникла на ранних этапах эволюции эукариотов. Поскольку их дисфункция была тесно связана с повышенной восприимчивостью к нескольким типам рака, белки, которые способствуют гомологичной рекомбинации, являются предметом активных исследований. Гомологичная рекомбинация также используется в генном таргетировании, методе введения генетических изменений в целевые организмы. За разработку этой техники Марио Капеччи, Мартин Эванс и Оливер Смитхис были удостоены Нобелевской премии по физиологии или медицине 2007 года; Капеччи и Смитхис независимо обнаружили применение к эмбриональным стволовым клеткам мыши, однако высококонсервативные механизмы, лежащие в основе модели восстановления DSB, включая однородную гомологичную интеграцию трансформированной ДНК (генная терапия), впервые были показаны в плазмидных экспериментах Орра Уивера, Шостака и Ротштейна. Исследование плазмидной индукции DSB с использованием облучения γ в 1970-х и 1980-х годах привело к более поздним экспериментам с использованием эндонуклеаз (например, I SceI) для вырезания хромосом для генной инженерии клеток млекопитающих, где нехомологичная рекомбинация более часто встречается, чем в дрожжах.
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.
История и открытие
В начале 1900-х годов Уильям Бейтсон и Реджинальд Паннет нашли исключение из одного из принципов наследования, первоначально описанного Грегором Менделем в 1860-х годах. В отличие от представления Менделя о том, что черты независимо сочетаются, когда передаются от родителя ребенку, например, что цвет волос кошки и длина хвоста наследуются независимо друг от друга, Бэйтсон и Пуннетт показали, что определенные гены, связанные с физическими чертами, могут быть унаследованы вместе или генетически связаны. В 1911 году, после наблюдения за тем, что связанные признаки могут иногда наследуться отдельно, Томас Хант Морган предположил, что "кроссоверы" могут происходить между связанными генами, когда один из связанных генов физически пересекается с другой хромосомой. Двадцать лет спустя Барбара Макклинток и Харриет Крейтон продемонстрировали, что хромосомный пересечение происходит во время мейоза, процесса деления клеток, в ходе которого сперматозоиды и яйцеклетки образуются. В том же году, когда Макклинток сделал открытие, Курт Стерн показал, что пересечение, позже названное "рекомбинацией", может также происходить в соматических клетках, таких как белые кровяные клетки и клетки кожи, которые делятся через митоз. В 1947 году микробиолог Джошуа Ледерберг показал, что бактерии, которые, как предполагалось, размножаются только бесполым путем бинарного деления, способны к генетической рекомбинации, которая больше похожа на половое размножение. Эта работа сделала E. coli образцовым организмом в генетике и помогла Ледербергу получить Нобелевскую премию по физиологии или медицине в 1958 году. Основываясь на исследованиях грибов, в 1964 году Робин Холлидей предложил модель рекомбинации при мейозе, которая представила ключевые детали того, как может работать процесс, включая обмен материалом между хромосомами через стыки Холлидея. В 1983 году Джек Шостак и его коллеги представили модель, известную как путь DSBR, который учитывал наблюдения, не объясняемые моделью Холлидея. Если не восстановить эти двойные разрывы, они могут вызвать масштабное перестройку хромосом в соматических клетках, что, в свою очередь, может привести к раку. Кроме восстановления ДНК, гомологическая рекомбинация также помогает в производстве генетического разнообразия, когда клетки делятся в мейозе, чтобы стать специализированными гаметными клетками - сперматозоидами или яйцеклетками у животных, пыльцой или яйцеклетками у растений и спорами у грибов. Это происходит за счет облегчения кроссомального перекрестного взаимодействия, при котором области сходных, но не идентичных ДНК обмениваются между гомологичными хромосомами. Это создает новые, возможно полезные комбинации генов, которые могут дать потомству эволюционное преимущество. Кросс-овер хромосом часто начинается, когда белок под названием Spo11 вызывает разрыв целевой двойной нити в ДНК. Эти места разрыва двойных нитей часто встречаются в горячих точках рекомбинации, областях хромосом, которые имеют длину около 10002000 пар оснований и имеют высокие показатели рекомбинации. Отсутствие точки рекомбинации между двумя генами на одной хромосоме часто означает, что эти гены будут унаследованы будущими поколениями в равной пропорции. Это представляет собой связь между двумя генами, которая больше, чем ожидается от генов, которые независимо ассортируются во время мейоза.
Тайминг в митотическом клеточном цикле
Двойные разрывы нитей могут быть восстановлены путем гомологичной рекомбинации, слияния концов, опосредованного полимеразой тета (TMEJ), или слияния концов, не являющихся гомологами (NHEJ). NHEJ - это механизм восстановления ДНК, который, в отличие от гомологичной рекомбинации, не требует длинной гомологичной последовательности для управления восстановлением. Используется ли гомологичная рекомбинация или NHEJ для восстановления двойных нитей, во многом определяется фазой клеточного цикла. Гомологичная рекомбинация восстанавливает ДНК до того, как клетка вступает в митоз (фаза M). Она возникает во время и вскоре после репликации ДНК, в фазах S и G2 клеточного цикла, когда сестринские хроматиды более доступны. По сравнению с гомологичными хромосомами, которые похожи на другую хромосому, но часто имеют разные аллели, сестринские хроматиды являются идеальным шаблоном для гомологичной рекомбинации, потому что они являются идентичной копией данной хромосомы. Если нет гомологичного шаблона или если к нему невозможно получить доступ из-за дефекта гомологичной рекомбинации, то разрыв восстанавливается с помощью TMEJ на фазах S и G2 клеточного цикла. В отличие от гомологичной рекомбинации и TMEJ, NHEJ преобладает в G1 фазе клеточного цикла, когда клетка растет, но еще не готова к делению. Он встречается реже после фазы G1, но сохраняет хотя бы некоторую активность на протяжении всего клеточного цикла. Механизмы, регулирующие гомологичную рекомбинацию и NHEJ на протяжении всего клеточного цикла, сильно различаются между видами. Циклинзависимые киназы (CDK), которые изменяют активность других белков путем добавления фосфатных групп к ним (то есть, фосфорилирования), являются важными регуляторами гомологичной рекомбинации у эукариотов. После активации путем добавления фосфата, Sae2 вызывает чистое разрезание вблизи двойного разрыва нитей ДНК. Неясно, является ли эндонуклеаза, ответственная за этот разрез, самим Sae2 или другим белком, Mre11. Это позволяет белковому комплексу, включающему Mre11, известному как комплекс MRX, связываться с ДНК и начинает серию белковых реакций, которые обмениваются материалом между двумя молекулами ДНК.
Роль хроматина
Упаковка эукариотической ДНК в хроматин представляет собой барьер для всех процессов, основанных на ДНК, которые требуют привлечения ферментов к их местам действия. Для того, чтобы восстановить ДНК с помощью гомологической рекомбинации (HR), хроматин должен быть ремоделирован. У эукариотов, ATP-зависимые хроматиноремоделирующие комплексы и гистон-модифицирующие ферменты являются двумя преобладающими факторами, используемыми для осуществления этого процесса ремоделирования. Расслабление хроматина происходит быстро в месте повреждения ДНК. На одном из самых ранних этапов стресс активирует протеинкиназу, c Jun N терминальная киназа (JNK), фосфорилирует SIRT6 на серине 10 в ответ на разрыв двойной нити или другое повреждение ДНК. Эта посттрансляционная модификация облегчает мобилизацию SIRT6 в местах повреждения ДНК и необходима для эффективного привлечения поли (ADP) рибозовой полимеразы 1 (PARP1) в места разрыва ДНК и для эффективного восстановления DSB. Затем ремоделирующий хроматин Alc1 быстро присоединяется к продукту действия PARP1, поли-АДФ-рибозной цепи, и Alc1 завершает прибытие к поврежденной ДНК в течение 10 секунд после возникновения повреждения. γH2AX (фосфорилированный на серине 139 H2AX) может быть обнаружен через 20 секунд после облучения клеток (при образовании двойных нитей ДНК), и половина максимального накопления γH2AX происходит за одну минуту. RNF8 опосредует обширную деконденсацию хроматина, посредством его последующего взаимодействия с CHD4, компонентом ремоделирования нуклеосом и деацетилазного комплекса NuRD. После релаксации после повреждения ДНК, сопровождаемой восстановлением ДНК, хроматин восстанавливается до состояния уплотнения, близкого к уровню до повреждения, примерно через 20 минут. В этих местах другой белок, SPO11, каталитизирует рекомбинацию, инициируя двойные разрывы нитей (DSB), подмножество которых восстанавливается рекомбинацией с гомологичной хромосомой. PRDM9 откладывает как H3K4me3, так и H3K36me3 метилирующие следы гистонов в местах, к которым он связывается, и эта метилтрансферазная активность имеет важное значение для его роли в определении позиции DSB. После их образования участки DSB обрабатываются резекцией, в результате чего получается одноцепочечная ДНК (ssDNA), которая украшается DMC1. От среднего зиготена до раннего пахитена, в рамках процесса рекомбинационного восстановления, DMC1 дисоциируется от ssDNA и уменьшается до тех пор, пока все разрывы (кроме тех, которые находятся на XY хромосомах) не будут восстановлены в позднем пахитине. В этом процессе участвуют несколько других белков, включая ZCWPW1, первый белок, непосредственно расположенный двумя гистонными марками PRDM9. ZCWPW1 важен для ремонта однородных DSB, а не для позиционирования.
Модели
Две основные модели того, как гомологичная рекомбинация восстанавливает двойные разрывы нитей в ДНК, - это путь восстановления разрыва двойных нитей (DSBR) (иногда называемый моделью двойного стыка Холлидея) и путь отжига нитей, зависящий от синтеза (SDSA). Эти два пути похожи в первых нескольких шагах. После того, как происходит разрыв двойной нити, комплекс MRX (MRN-комплекс у человека) связывается с ДНК по обе стороны разрыва. Далее происходит резекция, при которой ДНК вокруг 5'-х концов разрыва отрезается. Это происходит в два отдельных этапа: сначала комплекс MRX набирает белок Sae2, и эти два белка отрезают 5'-концы по обе стороны разрыва, чтобы создать короткие 3'-перегибы одноцепочечной ДНК; во втором этапе резекция 5'→3' продолжается геликазой Sgs1 и нуклеазами Exo1 и Dna2. Как геликаза, Sgs1 "разблокирует" двойную нить ДНК, в то время как нуклеазная активность Exo1 и Dna2 позволяет им разрезать одноцепочечную ДНК, вырабатываемую Sgs1. С помощью нескольких других белков, которые являются посредниками в этом процессе, белок Rad51 (и Dmc1, при мейозе) затем образует нить нуклеиновой кислоты и белка на одной нити ДНК, покрытой RPA. Затем эта нуклеопротеиновая нить начинает поиск последовательностей ДНК, аналогичных последовательностям 3'-оверхенга. После обнаружения такой последовательности одноцепочечная нуклеопротеиновая нить перемещается в (вторгается) аналогичный или идентичный реципиент ДНК-дуплекс в процессе, называемом инвазией нитей. В клетках, которые делятся в результате митоза, реципиентный дуплекс ДНК обычно является сестринским хроматидом, который идентичен поврежденной молекуле ДНК и обеспечивает шаблон для восстановления. Однако при мейозе ДНК получателя, как правило, происходит от аналогичной, но не обязательно идентичной гомологичной хромосомы. Из-за этой тенденции к кроссомовому перекрестку путь DSBR является вероятной моделью того, как происходит кроссовая гомологичная рекомбинация во время мейоза.
Путь SDSA
Гомологичная рекомбинация через SDSA-путь происходит в клетках, которые делятся через митоз и мейоз, и приводит к получению некрестных продуктов. В этой модели, вторгшаяся 3'-цетка расширяется вдоль реципиентского дуплекса ДНК ДНК-полимеразой и высвобождается, когда соединение Холлидея между молекулами ДНК донора и реципиента скользит в процессе, называемом миграцией ветвей. После этого новосозданный 3'-конец инвазирующей нити способен присоединяться к другому 3'-оверхангу в поврежденной хромосоме посредством комплементарного соединения оснований. После того, как нити отжимаются, иногда может остаться небольшой флакон ДНК. Любые такие клапаны удаляются, и путь SDSA заканчивается повторным запечатыванием, также известным как лигация, любых оставшихся одноцепочечных пробелов. Во время митоза основным гомологичным путем рекомбинации для восстановления разрывов двойных нитей ДНК, по-видимому, является путь SDSA (а не путь DSBR). Путь SDSA производит рекомбинанты, не связанные с перекрестным взаимодействием (рис. 5). Во время мейоза некроссоверные рекомбинанты также часто встречаются, и они, по-видимому, возникают в основном по SDSA-пути. События некрестовой рекомбинации, происходящие во время мейоза, вероятно, отражают случаи восстановления повреждений двойных нитей ДНК или других типов повреждений ДНК.
Путь SSA
Путь одноцепочечного отжига (SSA) гомологичной рекомбинации восстанавливает двойные разрывы между двумя повторяющимися последовательностями. Путь SSA уникален тем, что не требует отдельной аналогичной или идентичной молекулы ДНК, как пути DSBR или SDSA гомологичной рекомбинации. Вместо этого, SSA-путь требует только одного дуплекса ДНК и использует повторяющиеся последовательности как идентичные последовательности, которые гомологичная рекомбинация требует для восстановления. Концепция пути относительно проста: после того, как две нити одного и того же дуплекса ДНК отрезаны вокруг места разрыва двойной нити, два полученных 3'-перегиба затем выровняются и присоединяются друг к другу, восстанавливая ДНК как непрерывный дуплекс. По мере того, как ДНК вокруг двойного разрыва нитей сокращается, образующиеся однонитчатые 3'-перегибы покрываются белком RPA, который предотвращает прикрепление 3'-перегибов к себе. Затем белок Rad52 связывает каждую из повторяющихся последовательностей по обе стороны разрыва и выравнивает их, чтобы позволить двум дополнительным повторяющимся последовательностям отжиматься. Новый синтез ДНК заполняет любые пробелы, а лигация восстанавливает дуплекс ДНК в виде двух непрерывных нитей. Последовательность ДНК между повторениями всегда теряется, как и одно из двух повторений. Путь SSA считается мутагенным, поскольку он приводит к таким deletions генетического материала. Путь BIR также может помочь поддерживать длину теломер (регионы ДНК в конце эукариотических хромосом) в отсутствие (или в сотрудничестве с) теломеразой. Без рабочих копий фермента теломеразы теломеры обычно сокращаются с каждым циклом митоза, что в конечном итоге блокирует деление клеток и приводит к старению. В клетках дрожжей, в которых теломераза была инактивирована в результате мутаций, наблюдалось два типа "выжилых" клеток, которые избегают старения дольше, чем ожидалось, удлиняя свои теломеры через пути BIR. Этот факт заставил ученых исследовать, могут ли такие механизмы поддержания теломер, основанные на рекомбинации, помешать противораковым препаратам, таким как ингибиторы теломеразы.
В бактериях
Гомологичная рекомбинация является основным процессом восстановления ДНК у бактерий. Это также важно для генетического разнообразия в популяциях бактерий, хотя процесс существенно отличается от мейотической рекомбинации, которая восстанавливает повреждения ДНК и приводит к разнообразию в эукариотических геномах. Гомологичная рекомбинация была наиболее изучена и лучше всего понята для Escherichia coli. Двойные нитьные разрывы ДНК в бактериях восстанавливаются путем гомологичной рекомбинации RecBCD. Считается, что разрывы, возникающие только на одной из двух нитей ДНК, известные как одноцепочечные разрывы, восстанавливаются путем RecF. Как RecBCD, так и RecF включают в себя серию реакций, известных как миграция ветвей, в которой отдельные нити ДНК обмениваются между двумя пересеченными молекулами дуплексной ДНК, и разрешение, в котором эти две пересеченные молекулы ДНК разделяются и восстанавливаются в их нормальное состояние двойной нити.
Путь RecBCD
Путь RecBCD является основным путем рекомбинации, используемым во многих бактериях для восстановления двойных нитей ДНК, и белки встречаются в широком спектре бактерий. Эти двойные разрывы могут быть вызваны ультрафиолетовым излучением и другим излучением, а также химическими мутагенными веществами. Двойные разрывы нити могут также возникать при репликации ДНК через одностворчатую щель или разрыв. Такая ситуация вызывает так называемую коллапсированную вилку репликации и фиксируется несколькими путями гомологичной рекомбинации, включая путь RecBCD. На этом пути три подединицы фермента, называемые RecBCD, инициируют рекомбинацию, связываясь с тупым или почти тупым концом разрыва двойной нити ДНК. После того, как RecBCD связывает конец ДНК, подразделы RecB и RecD начинают размостку дуплекса ДНК посредством активности геликазы. Подединица RecB также имеет домен нуклеазы, который разрезает одну нить ДНК, которая возникает в процессе размозжения. Это разморожение продолжается до тех пор, пока RecBCD не встретит специфическую нуклеотидную последовательность (5' GCTGGTGG 3') известную как Chi-сайт. Размотка ДНК останавливается на несколько секунд, а затем возобновляется примерно с половиной начальной скорости. Это, вероятно, связано с тем, что более медленная RecB-геликаза раскладывает ДНК после Chi, а не более быстрая RecD-геликаза, которая раскладывает ДНК до Chi. Признание места Chi также изменяет фермент RecBCD, так что он разрезает нить ДНК с Chi и начинает загружать несколько белков RecA в одноцепочечную ДНК с вновь созданным 3'-концом. Полученная в результате нуклеопротеиновая нить с покрытием RecA затем ищет аналогичные последовательности ДНК на гомологичной хромосоме. Процесс поиска вызывает растяжение дуплекса ДНК, что улучшает распознавание гомологии (механизм, называемый конформационным корректировкой). Найдя такую последовательность, одноцепочечная нуклеопротеиновая нить перемещается в гомологичный реципиент ДНК-дуплекса в процессе, называемом инвазией нитей. Вторгающийся 3'-оверхэнд заставляет одну из нитей реципиентского дуплекса ДНК смещаться, образуя D-цикл. Если D-цикл разрезать, то последующий обмен нитей образует крестообразную структуру, называемую стыком Холлидея. В пути RecF геликаза RecQ разворачивает ДНК, а нуклеаза RecJ деградирует нить с 5'-концом, оставляя нить с 3'-концом нетронутой. Белок RecA связывается с этой нитью и либо поддерживается белками RecF, RecO и RecR, либо стабилизируется ими. Затем нуклеопротеиновая нить RecA ищет гомологичную ДНК и обменивается местами с идентичной или почти идентичной нитью в гомологичной ДНК. Хотя белки и специфические механизмы, участвующие в их начальных фазах, различаются, эти два пути схожи тем, что они оба требуют одноцепочечной ДНК с 3'-концом и белка RecA для вторжения в цепочку. Пути также похожи по фазам миграции ветвей, в которых стыковка Холлидей скользит в одном направлении, и разрешению, в котором стыки Холлидей расщепляются ферментами. Альтернативный, не реципрочный тип разрешения может также происходить по любому из путей.
Миграция филиала
Сразу после вторжения в нить, стыковочный узел Холлидея перемещается вдоль связанной ДНК во время процесса миграции ветвей. Именно в этом движении соединения Холлидея обмениваются пары оснований между двумя гомологичными дуплексами ДНК. Для катализации миграции ветвей, белок RuvA сначала распознает и связывается с стыком Холлидея и нанимает белок RuvB для образования комплекса RuvAB. Два набора белка RuvB, каждый из которых образует кольцеобразную АТФазу, загружены на противоположные стороны стыка Холлидея, где они действуют как двойные насосы, которые обеспечивают силу для миграции ветвей. Между этими двумя кольцами RuvB два набора белка RuvA собираются в центре стыка Холлидея, так что ДНК на стыке находится между каждым набором RuvA. На поверхности RuvA разворачиваются нити обоих дуплексов ДНК - "донорского" и "получателя" - по мере того, как они направляются белком от одного дуплекса к другому.
Резолюция
В фазе резюме рекомбинации любые стыки Холлидея, сформированные процессом инвазионного вовлечения нити, отсекаются, тем самым восстанавливая две отдельные молекулы ДНК. Это расщепление происходит в результате взаимодействия комплекса RuvAB с RuvC, которые вместе образуют комплекс RuvABC. RuvC - это эндонуклеаза, которая разрезает дегенерированную последовательность 5' (A/T) TT(G/C) 3'. Эта последовательность встречается в ДНК часто, примерно раз в 64 нуклеотида.
Содействие передаче генов
Гомологическая рекомбинация является важным методом интеграции донорской ДНК в геном организма-реципиента при горизонтальном переносе генов, процессе, при котором организм включает в себя чужую ДНК от другого организма, не будучи потомком этого организма. Гомологичная рекомбинация требует, чтобы поступающая ДНК была очень похожа на геном реципиента, и поэтому горизонтальная передача генов обычно ограничивается похожими бактериями. Исследования нескольких видов бактерий показали, что происходит логарифмическое линейное снижение частоты рекомбинации с увеличением разницы в последовательности между ДНК хозяина и реципиента. При бактериальной конъюгации, когда ДНК передается между бактериями через прямой контакт клетки с клеткой, гомологичная рекомбинация помогает интегрировать чужую ДНК в геном хозяина через путь RecBCD. Фермент RecBCD способствует рекомбинации после преобразования ДНК из одноцепочечной ДНК, в которой она изначально входит в бактерию, в двухцепочечную ДНК во время репликации. Путь RecBCD также важен для заключительной фазы трансдукции, типа горизонтального переноса генов, при котором ДНК передается от одной бактерии к другой вирусом. Инородные, бактериальные ДНК иногда неправильно включаются в капсидную голову частиц вируса бактериофага, поскольку ДНК упаковывается в новые бактериофаги во время репликации вируса. Когда эти новые бактериофаги заражают другие бактерии, ДНК из предыдущей бактерии-хозяина вводится в новый бактериальный хозяин в виде двойной нити ДНК. Затем фермент RecBCD включает эту двойную нить ДНК в геном нового бактериального хозяина. Таким образом, трансформация явно является бактериальной адаптацией для передачи ДНК. Для того чтобы бактерия связывалась, поглощала и интегрировала ДНК донора в свою резидентную хромосому путем гомологической рекомбинации, она сначала должна войти в особое физиологическое состояние, называемое компетенцией. Генное семейство RecA/Rad51/DMC1 играет центральную роль в гомологичной рекомбинации во время бактериальной трансформации, как и во время эукариотического мейоза и митоза. Например, белок RecA необходим для трансформации в Bacillus subtilis и Streptococcus pneumoniae, и экспрессия гена RecA индуцируется во время развития компетенции для трансформации в этих организмах. В рамках процесса трансформации белок RecA взаимодействует с входящей одноцепочечной ДНК (ssDNA), образуя нуклеофиламенты RecA/ssDNA, которые сканируют резидентную хромосому на предмет областей гомологии и переносят входящую ssDNA в соответствующую область, где происходит обмен цепью и гомологичная рекомбинация. Таким образом, процесс гомологичной рекомбинации во время бактериальной трансформации имеет фундаментальные сходства с гомологичной рекомбинацией во время мейоза.
В вирусах
Гомологичная рекомбинация происходит в нескольких группах вирусов. В ДНК-вирусах, таких как герпесвирус, рекомбинация происходит через механизм разрыва и воссоединения, как у бактерий и эукариот. Существуют также доказательства рекомбинации некоторых РНК-вирусов, в частности, положительных вирусов сссРНК, таких как ретровирусы, пикорнавирусы и коронавирусы. Существует противоречие относительно того, происходит ли гомологичная рекомбинация в отрицательном смысле сссРНК-вирусов, таких как грипп. В РНК-вирусах гомологичная рекомбинация может быть точной или неточной. В точном типе рекомбинации РНК-РНК нет никакой разницы между двумя родительскими последовательностями РНК и полученной кроссоверной РНК-регией. Из-за этого часто трудно определить местоположение событий перекрестного взаимодействия между двумя рекомбинирующими последовательностями РНК. При неточной гомологичной рекомбинации РНК, область перекрестного взаимодействия имеет некоторую разницу с родительскими последовательностями РНК, вызванными либо добавлением, удалением, либо другой модификацией нуклеотидов. Уровень точности в кроссовере контролируется контекстом последовательности двух рекомбинирующих нитей РНК: последовательности, богатые аденином и урацилом, снижают точность кроссовера. Гомологичная рекомбинация важна для облегчения эволюции вируса. Например, если геномы двух вирусов с различными невыгодными мутациями подвергаются рекомбинации, то они могут быть в состоянии регенерировать полностью функциональный геном. В качестве альтернативы, если два похожих вируса инфицировали одну и ту же клетку-хозяина, гомологичная рекомбинация может позволить этим двум вирусам обмениваться генами и тем самым развивать более мощные вариации самих себя. Когда два или более вирусов, каждый из которых содержит смертельное геномное повреждение, заражают одну и ту же клетку-хозяина, геном вируса часто может соединяться друг с другом и подвергаться гомологичному рекомбинационному восстановлению для получения жизнеспособного потомства. Этот процесс, известный как реактивация множественности, был изучен в нескольких бактериофагах, включая фаг T4. Ферменты, используемые в рекомбинационном восстановлении фага T4, функционально гомологичны ферментам, используемым в рекомбинационном восстановлении бактерий и эукариотов. В частности, в отношении гена, необходимого для реакции обмена нити, ключевой стадии гомологичного рекомбинационного восстановления, существует функциональная гомология от вирусов к человеку (т. е. uvsX в фаге T4; recA в E. coli и других бактериях, и rad51 и dmc1 в дрожжах и других эукариот, включая людей). Реактивация множественности также была продемонстрирована у многих патогенных вирусов.
Коронавирус
Коронавирусы способны к генетической рекомбинации, когда в одной и той же инфицированной клетке присутствует по крайней мере два вирусных генома. РНК-рекомбинация, по-видимому, является основной движущей силой в определении (1) генетической изменчивости внутри видов CoV, (2) способности видов CoV переходить от одного хозяина к другому и (3) нечасто появления новых CoV. Механизм рекомбинации в коронавирусах, вероятно, включает в себя переключение шаблонов во время репликации генома. Похоже, что весь рецепторный мотив связывания пандемии SARS CoV 2 был введен путем рекомбинации из коронавирусов панголинов. Такое событие рекомбинации могло стать важным шагом в эволюции способности SARS CoV 2 заражать людей. Во время пандемии COVID-19 в 2020 году многие геномные последовательности австралийских изолятов SARS-CoV-2 имеют делеции или мутации (29742G>A или 29742G>U; "G19A" или "G19U") в коронавирусном 3′-циклическом цикле II типа мотива (s2m), мотиве РНК в 3′-непереведенной области вирусного генома, что предполагает, что события рекомбинации РНК могли произойти в s2m SARS CoV 2. На основе вычислительного анализа 1319 последовательностей SARS-CoV-2 в Австралии с использованием алгоритма Recco (https://recco. биоинф. и т. д. Мпг. de/), 29742G (("G19"), 29744G (("G21") и 29751G (("G28") были предсказаны как горячие точки рекомбинации. Вспышка SARS CoV 2 на круизе Diamond Princess, скорее всего, произошла от одного человека, инфицированного вариантом вируса, идентичным изолированным WIV04 из Уханя, или одновременно с другим первичным случаем, инфицированным вирусом, содержащим мутацию 11083G > T. Анализ дисбаланса связей подтвердил, что рекомбинация РНК с мутацией 11083G > T также способствовала увеличению мутаций среди вируса потомства. Полученные данные указывают на то, что 11083G > T мутация SARS CoV 2 распространилась во время карантина на борту судна и возникла в результате рекомбинации de novo РНК под положительным селекционным давлением. Кроме того, у трех пациентов в этом круизе также были обнаружены две мутации 29736G > T и 29751G > T ("G13" и "G28") в коронавирусном 3′-м стволовом цикле II типа мотива (s2m), поскольку "G28" был предсказан как горячие точки рекомбинации в австралийских мутантах SARS CoV 2. Хотя s2m считается мотивом РНК, который сохраняется среди многих видов коронавируса, этот результат также предполагает, что s2m SARS CoV 2 является скорее точкой рекомбинации/мутации РНК.
Последствия дисфункции
Без надлежащей гомологичной рекомбинации хромосомы часто неправильно выстраиваются на первой фазе деления клеток при мейозе. Это приводит к тому, что хромосомы не могут правильно сегрегироваться в процессе, называемом неразъединением. В свою очередь, неразделение может привести к тому, что сперматозоиды и яйцеклетки будут иметь слишком мало или слишком много хромосом. Синдром Дауна, который вызван дополнительной копией хромосомы 21, является одной из многих аномалий, которые возникают в результате такого сбоя гомологичной рекомбинации при мейозе. Дефициты гомологичной рекомбинации тесно связаны с образованием рака у человека. Например, каждый из связанных с раком заболеваний синдром Блума, синдром Вернера и синдром Ротмунда-Томсона вызваны неисправной копией гена RecQ-геликазы, участвующего в регуляции гомологичной рекомбинации: BLM, WRN и RECQL4, соответственно. В клетках пациентов с синдромом Блума, у которых отсутствует рабочая копия белка BLM, наблюдается повышенная скорость гомологичной рекомбинации. Эксперименты на мышах с дефицитом BLM показали, что мутация вызывает рак через потерю гетерозиготности, вызванную увеличением гомологичной рекомбинации. Потеря гетерозиготности относится к потере одной из двух версий или аллелей гена. Если один из потерянных аллелей помогает подавлять опухоли, например, ген для белка ретинобластомы, то потеря гетерозиготности может привести к раку. Снижение частоты гомологичной рекомбинации вызывает неэффективное восстановление ДНК. Поскольку единственная известная функция BRCA2 - помочь инициировать гомологичную рекомбинацию, исследователи предположили, что более подробное знание роли BRCA2 в гомологичной рекомбинации может быть ключом к пониманию причин рака молочной железы и яичников.
Эволюционная сохранность
Хотя пути могут механически варьироваться, способность организмов выполнять гомологичную рекомбинацию универсально сохраняется во всех областях жизни. Основываясь на сходстве последовательностей аминокислот, гомологи ряда белков можно найти во многих областях жизни, что указывает на то, что они эволюционировали давным-давно и с тех пор отклонились от общих предков белков. Связанные одноцепочечные связывающие белки, которые важны для гомологичной рекомбинации и многих других процессов, также встречаются во всех областях жизни. Rad54, Mre11, Rad50 и ряд других белков также встречаются как в археях, так и в эукариотах.
Семья рекомбиназ RecA
Считается, что белки семейства белков RecA рекомбиназы происходят от общего предка рекомбиназы.
Специфические белки мейоза
Обнаружение Dmc1 у нескольких видов Giardia, одного из самых ранних протестов, которые расходились как эукариоты, предполагает, что мейотическая гомологичная рекомбинация и, следовательно, сам мейоз появились очень рано в эволюции эукариотов. В дополнение к исследованиям Dmc1, исследования белка Spo11 предоставили информацию о происхождении мейотической рекомбинации. Spo11, топоизомераза II типа, может инициировать гомологичную рекомбинацию при мейозе путем целенаправленных двойных разрывов в ДНК. Филогенетические деревья, основанные на последовательности генов, аналогичных SPO11 у животных, грибов, растений, протестов и архей, привели ученых к выводу, что версия Spo11 в настоящее время в эукариотах возникла в последнем общем предке эукариотов и архей. Этот метод, также называемый генным таргетингом, особенно распространен в генетике дрожжей и мышей. Метод нацеливания генов на мышей с нокаутом использует эмбриональные стволовые клетки мыши для доставки искусственного генетического материала (в основном, представляющего терапевтический интерес), который подавляет целевой ген мыши по принципу гомологичной рекомбинации. Таким образом, мышь выступает в качестве рабочей модели для понимания эффектов конкретного гена млекопитающих. В знак признания их открытия того, как гомологическая рекомбинация может быть использована для введения генетических модификаций у мышей через эмбриональные стволовые клетки, Марио Капекки, Мартин Эванс и Оливер Смитхис были удостоены Нобелевской премии по физиологии или медицине 2007 года. Прогресс в технологии генной таргетировки, которая захватывает механизм гомологичной рекомбинации клеток, в настоящее время приводит к разработке новой волны более точных, изогенных моделей заболеваний человека. Считается, что эти инженерные модели человеческих клеток более точно отражают генетику болезней человека, чем их предшественники - модели мышей. Это в основном связано с тем, что мутации, представляющие интерес, вводятся в эндогенные гены, как и в случае с реальными пациентами, и потому что они основаны на геноме человека, а не геноме крысы. Кроме того, некоторые технологии позволяют внедрять определенную мутацию, а не просто выключать, связанные со старыми технологиями таргетирования генов.
Инженерная белковая инженерия
Инженерная белковая технология с гомологичной рекомбинацией развивает химерные белки путем обмена фрагментами между двумя родительскими белками. Эти методы используют тот факт, что рекомбинация может ввести высокую степень разнообразия последовательностей, сохраняя при этом способность белка складываться в свою третичную структуру или трехмерную форму. Это контрастирует с другими методами протеиновой инженерии, такими как случайный точечный мутагенез, при котором вероятность поддержания функции белка экспоненциально снижается с увеличением замещений аминокислот. Химеры, полученные методами рекомбинации, способны сохранять способность складываться, потому что их обмененные родительские фрагменты структурно и эволюционно сохранены. Эти рекомбинируемые "строительные блоки" сохраняют структурно важные взаимодействия, такие как точки физического контакта между различными аминокислотами в структуре белка. Для определения структурных подединиц, подходящих для рекомбинации, могут использоваться вычислительные методы, такие как SCHEMA и статистический анализ соединения. Для создания новых белков используются методы, основанные на гомологичной рекомбинации. Инженерная рекомбинация белков также способствует созданию химерных ферментов с новой функцией в членах группы белков, известных как семейство цитохрома P450, которые у людей участвуют в детоксикации чужеродных соединений, таких как лекарства, пищевые добавки и консерванты. Раковые клетки с мутациями BRCA имеют недостатки в гомологичной рекомбинации, и препараты для использования этих недостатков были разработаны и успешно использованы в клинических испытаниях. Олапариб, ингибитор PARP1, уменьшает или останавливает рост опухолей, вызванных мутациями в генах BRCA1 или BRCA2, которые необходимы для развития HR. Когда отсутствует BRCA1 или BRCA2, другие типы механизмов восстановления ДНК должны компенсировать недостаток HR, такие как исправление выделения основания (BER) для застойных вилок репликации или нехомологичное окончание соединения (NHEJ) для двойных разрывов нитей.