Введение
Генетическая рекомбинация (также известная как генетическое перетасовка) – это обмен генетическим материалом между различными организмами, приводящий к образованию потомства с комбинациями признаков, отличными от наблюдаемых у любого из родителей. У эукариотов генетическая рекомбинация во время мейоза может привести к новому набору генетической информации, которая затем может передаваться от родителей потомству. Большинство случаев рекомбинации происходит естественным путем и может быть классифицировано на два типа: (1) межхромосомная рекомбинация, возникающая в результате независимого расхождения аллелей, локусы которых расположены на разных, но гомологичных хромосомах (случайная ориентация пар гомологичных хромосом в мейозе I); и (2) внутрихромосомная рекомбинация, происходящая посредством кроссинговера. Во время мейоза у эукариотов генетическая рекомбинация включает в себя спаривание гомологичных хромосом. За этим может следовать передача информации между хромосомами. Передача информации может происходить без физического обмена (участок генетического материала копируется из одной хромосомы в другую, при этом донорная хромосома не изменяется) (см. SDSA – Synthesis Dependent Strand Annealing pathway на рисунке); или посредством разрыва и воссоединения цепей ДНК, что приводит к образованию новых молекул ДНК (см. DHJ pathway на рисунке). Рекомбинация может также происходить во время митоза у эукариотов, где она обычно затрагивает две сестринские хромосомы, образовавшиеся после репликации хромосом. В этом случае новые комбинации аллелей не образуются, поскольку сестринские хромосомы обычно идентичны. Как в мейозе, так и в митозе, рекомбинация происходит между сходными молекулами ДНК (гомологичными последовательностями). В мейозе несестринские гомологичные хромосомы соединяются друг с другом, в результате чего рекомбинация характерно происходит между несестринскими гомологами. В мейотических и митотических клетках рекомбинация между гомологичными хромосомами является распространенным механизмом, используемым для восстановления ДНК. Генная конверсия – процесс, в ходе которого гомологичные последовательности становятся идентичными, также относится к генетической рекомбинации. Генетическая рекомбинация и рекомбинационный ремонт ДНК также происходят у бактерий и архей, размножающихся бесполым путем. Рекомбинацию можно искусственно индуцировать в лабораторных условиях (in vitro) для получения рекомбинантной ДНК, используемой, в частности, при разработке вакцин. V(D)J-рекомбинация у организмов с адаптивной иммунной системой – это тип сайт-специфической генетической рекомбинации, который помогает иммунным клеткам быстро диверсифицироваться для распознавания и адаптации к новым патогенам.
Genetic recombination (also known as genetic reshuffling) is the exchange of genetic material between different organisms which leads to production of offspring with combinations of traits that differ from those found in either parent. In eukaryotes, genetic recombination during meiosis can lead to a novel set of genetic information that can be further passed on from parents to offspring. Most recombination occurs naturally and can be classified into two types: (1) interchromosomal recombination, occurring through independent assortment of alleles whose loci are on different but homologous chromosomes (random orientation of pairs of homologous chromosomes in meiosis I); & (2) intrachromosomal recombination, occurring through crossing over. During meiosis in eukaryotes, genetic recombination involves the pairing of homologous chromosomes. This may be followed by information transfer between the chromosomes. The information transfer may occur without physical exchange (a section of genetic material is copied from one chromosome to another, without the donating chromosome being changed) (see SDSA – Synthesis Dependent Strand Annealing pathway in Figure); or by the breaking and rejoining of DNA strands, which forms new molecules of DNA (see DHJ pathway in Figure). Recombination may also occur during mitosis in eukaryotes where it ordinarily involves the two sister chromosomes formed after chromosomal replication. In this case, new combinations of alleles are not produced since the sister chromosomes are usually identical. In meiosis and mitosis, recombination occurs between similar molecules of DNA (homologous sequences). In meiosis, non sister homologous chromosomes pair with each other so that recombination characteristically occurs between non sister homologues. In both meiotic and mitotic cells, recombination between homologous chromosomes is a common mechanism used in DNA repair. Gene conversion – the process during which homologous sequences are made identical also falls under genetic recombination. Genetic recombination and recombinational DNA repair also occurs in bacteria and archaea, which use asexual reproduction. Recombination can be artificially induced in laboratory (in vitro) settings, producing recombinant DNA for purposes including vaccine development. V(D)J recombination in organisms with an adaptive immune system is a type of site specific genetic recombination that helps immune cells rapidly diversify to recognize and adapt to new pathogens.
Синапс
Во время мейоза синапс (сближение и спаривание гомологичных хромосом) обычно предшествует генетической рекомбинации.
Хромосомный кроссовер
В эукариотах рекомбинация во время мейоза облегчается хромосомным кроссинговером. Процесс кроссинговера приводит к тому, что у потомства появляются различные комбинации генов, отличные от родительских, и иногда может приводить к образованию новых химерных аллелей. Перетасовка генов, вызванная генетической рекомбинацией, увеличивает генетическое разнообразие. Она также позволяет организмам, размножающимся половым путем, избегать "решетки Мюллера", при которой геномы бесполой популяции склонны накапливать больше вредных мутаций с течением времени, чем полезных или обратных мутаций. Хромосомный кроссинговер включает рекомбинацию между парными хромосомами, унаследованными от каждого из родителей, и обычно происходит во время мейоза. Во время профазы I (стадия пахитены) четыре доступные хроматиды находятся в тесном взаимодействии друг с другом. В этом состоянии гомологичные участки на двух хроматидах могут плотно спариваться и обмениваться генетической информацией. Поскольку вероятность рекомбинации в любом месте вдоль хромосомы невелика, частота рекомбинации между двумя участками зависит от расстояния между ними. Следовательно, для генов, достаточно удаленных друг от друга на одной хромосоме, количество кроссинговеров достаточно велико, чтобы разрушить корреляцию между аллелями. Отслеживание перемещения генов, возникающего в результате кроссинговеров, оказалось весьма полезным для генетиков. Поскольку два гена, расположенные близко друг к другу, с меньшей вероятностью разделятся, чем гены, находящиеся дальше друг от друга, генетики могут приблизительно определить расстояние между двумя генами на хромосоме, зная частоту кроссинговеров. Генетики также могут использовать этот метод для вывода наличия определенных генов. Гены, которые обычно остаются связанными во время рекомбинации, называются сцепленными. Один ген в сцепленной паре иногда можно использовать в качестве маркера для вывода наличия другого гена. Это обычно используется для выявления гена, вызывающего заболевание. Частота рекомбинации между двумя наблюдаемыми локусами является показателем кроссинговера. Это частота кроссинговера между двумя сцепленными генами (маркерами) и зависит от расстояния между наблюдаемыми генетическими локусами. Для любого фиксированного набора генетических и экологических условий рекомбинация в определенном регионе структуры сцепления (хромосомы) имеет тенденцию быть постоянной, и то же самое относится к показателю кроссинговера, который используется при создании генетических карт.
Преобразование генов
При генной конверсии участок генетического материала копируется с одной хромосомы на другую, при этом донорская хромосома не изменяется. Генная конверсия происходит с высокой частотой непосредственно в месте рекомбинационного события во время мейоза. Это процесс, при котором последовательность ДНК копируется с одной ДНК-спирали (которая остаётся неизменной) на другую ДНК-спираль, последовательность которой изменяется. Генная конверсия часто изучалась на скрещиваниях грибов, где удобно наблюдать четыре продукта отдельных мейозов. События генной конверсии можно идентифицировать как отклонения от обычной схемы сегрегации 2:2 в отдельном мейозе (например, схема 3:1).
Негомологичная рекомбинация
Рекомбинация может происходить между последовательностями ДНК, не имеющими последовательного сходства. Это может вызывать хромосомные транслокации, иногда приводящие к развитию рака.
В ячейках B
В-клетки иммунной системы осуществляют генетическую рекомбинацию, называемую переключением классов иммуноглобулинов. Это биологический механизм, который изменяет класс антитела, например, из IgM в IgG.
Генетическая инженерия
В генетической инженерии рекомбинация также может означать искусственную и намеренную рекомбинацию различных фрагментов ДНК, часто из разных организмов, в результате чего образуется так называемая рекомбинантная ДНК. Нацеливание на гены является ярким примером такого использования генетической рекомбинации, позволяющим добавлять, удалять или иным образом изменять гены организма. Этот метод имеет большое значение для биомедицинских исследований, поскольку позволяет изучать эффекты конкретных генов. Методы, основанные на генетической рекомбинации, также применяются в белковой инженерии для разработки новых белков, представляющих биологический интерес. Примеры включают интеграцию, опосредованную рестрикционными ферментами, сборку Гибсона и клонирование Golden Gate.
Реконструкция рекомбинации
Повреждения ДНК, вызванные различными экзогенными агентами (например, УФ-светом, рентгеновскими лучами, химическими агентами, вызывающими сшивки), могут быть восстановлены посредством гомологичного рекомбинационного восстановления (HRR). Эти данные позволяют предположить, что повреждения ДНК, возникающие в результате естественных процессов, таких как воздействие реактивных форм кислорода, являющихся побочными продуктами нормального метаболизма, также восстанавливаются с помощью HRR. У людей дефициты в продуктах генов, необходимых для HRR во время мейоза, вероятно, приводят к бесплодию. У людей дефициты в продуктах генов, необходимых для HRR, таких как BRCA1 и BRCA2, повышают риск развития рака (см. расстройство, связанное с дефицитом репарации ДНК). У бактерий трансформация – это процесс передачи генов, который обычно происходит между отдельными клетками одного и того же вида бактерий. Трансформация включает интеграцию донорной ДНК в хромосому реципиента посредством рекомбинации. Этот процесс, по-видимому, является адаптацией для восстановления повреждений ДНК в хромосоме реципиента с помощью HRR. Трансформация может приносить пользу патогенным бактериям, позволяя восстанавливать повреждения ДНК, особенно повреждения, возникающие в воспалительной, окислительной среде, связанной с инфекцией хозяина. Когда две или более вирусов, каждый из которых содержит летальные повреждения генома, инфицируют одну и ту же клетку-хозяина, геномы вирусов часто могут объединяться друг с другом и подвергаться HRR для получения жизнеспособного потомства. Этот процесс, называемый реактивацией множественности, изучался на бактериофагах лямбда и T4, а также на нескольких патогенных вирусах. В случае патогенных вирусов реактивация множественности может быть адаптивным преимуществом для вируса, поскольку она позволяет восстанавливать повреждения ДНК, вызванные воздействием окислительной среды, образующейся во время инфекции хозяина. Это показано на первой фигуре в данной статье. Две из четырех хроматид, присутствующих в начале мейоза (профаза I), соединены друг с другом и способны взаимодействовать. В этой модели рекомбинация инициируется двунитевым разрывом (или разрывом) в молекуле ДНК (хроматиде), показанном в верхней части рисунка. Другие типы повреждений ДНК также могут инициировать рекомбинацию. Например, межцепочечная сшивка (вызванная воздействием агента, вызывающего сшивки, такого как митомицин С) может быть восстановлена с помощью HRR. Образуются два типа рекомбинантных продуктов. Справа показан тип "перекрест" (CO), при котором фланкирующие области хромосом обмениваются, а слева – тип "без перекреста" (NCO), при котором фланкирующие области не обмениваются. Рекомбинация типа CO включает промежуточное образование двух "переходов Холлидея", обозначенных в правом нижнем углу рисунка двумя структурами в форме буквы X, в каждой из которых происходит обмен одиночными цепями между двумя участвующими хроматидами. Этот путь обозначен на рисунке как путь DHJ (двойной переход Холлидея). Рекомбинанты NCO (иллюстрированные слева на рисунке) образуются в процессе, называемом "отжигом цепей, зависящим от синтеза" (SDSA). Рекомбинационные события типа NCO/SDSA встречаются чаще, чем события типа CO/DHJ. Путь NCO/SDSA мало способствует генетическому разнообразию, поскольку плечи хромосом, фланкирующие событие рекомбинации, остаются в родительской конфигурации. Таким образом, объяснения адаптивной функции мейоза, которые сосредоточены исключительно на перекресте, недостаточны для объяснения большинства событий рекомбинации.
Ахиамия и гетерохиамия
Ахиазия – это явление, при котором аутосомная рекомбинация полностью отсутствует у одного пола вида. Ахиазматическая хромосомная сегрегация хорошо задокументирована у самцов *Drosophila melanogaster*. Гетерохиазия возникает, когда частоты рекомбинации различаются между полами вида. Эта половая диморфия в частоте рекомбинации наблюдается у многих видов. У млекопитающих, у самок чаще наблюдаются более высокие частоты рекомбинации. «Правило Халдейна – Хаксли» гласит, что ахиазия обычно возникает у гетерогаметического пола. Рекомбинация в значительной степени ответственна за разнообразие РНК-вирусов и уклонение от иммунного ответа. РНК-рекомбинация, по-видимому, является основной движущей силой в определении архитектуры генома и хода вирусной эволюции среди пикорнавирусов ((+)ssРНК) (например, полиовируса). У ретровирусов ((+)ssРНК) (например, ВИЧ) повреждения генома РНК, по-видимому, избегаются во время обратной транскрипции путем переключения цепей, формы рекомбинации. Рекомбинация также происходит у реовирусов (dsРНК) (например, реовируса), ортомиксовирусов (например, вируса гриппа). Рекомбинация у РНК-вирусов, по-видимому, является адаптацией для преодоления повреждений генома. Рекомбинация может происходить редко между животными вирусами одного вида, но из разных линий. Полученные рекомбинантные вирусы иногда могут вызывать вспышки инфекции у людей. Рекомбинация посредством переключения цепей RdRp также происходит у (+)ssРНК-кармовирусов растений и томбусвирусов. Рекомбинация, по-видимому, является основной движущей силой в определении генетической изменчивости внутри коронавирусов, а также способности видов коронавирусов переходить от одного хозяина к другому и, редко, для появления новых видов, хотя механизм рекомбинации у коронавирусов неясен. В первые месяцы пандемии COVID-19 предполагалось, что событие рекомбинации стало критическим шагом в эволюции способности SARS-CoV-2 инфицировать людей. Анализ неравновесия сцепления подтвердил, что РНК-рекомбинация с мутацией 11083G > T также способствовала увеличению числа мутаций среди вирусного потомства. Результаты показывают, что мутация 11083G > T SARS-CoV-2 распространилась во время карантина на борту корабля Diamond Princess и возникла в результате *de novo* РНК-рекомбинации под положительным давлением отбора. У трех пациентов, находившихся на круизе Diamond Princess, две мутации, 29736G > T и 29751G > T (G13 и G28), были локализованы в мотиве, подобном штифту-петле II коронавируса 3′ (s2m) SARS-CoV-2. Хотя s2m считается мотивом РНК, высоко консервативным в 3′-нетранслируемой области среди многих видов коронавирусов, этот результат также предполагает, что s2m SARS-CoV-2 является точкой рекомбинации/мутации РНК. По предварительным наблюдениям, весь мотив связывания рецептора SARS-CoV-2 был введен посредством рекомбинации из коронавирусов панголинов. Однако более всесторонний анализ позже опроверг это предположение и показал, что SARS-CoV-2, вероятно, эволюционировал исключительно у летучих мышей и с минимальной или отсутствующей рекомбинацией.
Recombination in RNA viruses appears to be an adaptation for coping with genome damage. Recombination can occur infrequently between animal viruses of the same species but of divergent lineages. The resulting recombinant viruses may sometimes cause an outbreak of infection in humans. Recombination by RdRp strand switching also occurs in the (+)ssRNA plant carmoviruses and tombusviruses. Recombination appears to be a major driving force in determining genetic variability within coronaviruses, as well as the ability of coronavirus species to jump from one host to another and, infrequently, for the emergence of novel species, although the mechanism of recombination in is unclear. During the first months of the COVID 19 pandemic, such a recombination event was suggested to have been a critical step in the evolution of SARS CoV 2's ability to infect humans. Linkage disequilibrium analysis confirmed that RNA recombination with the 11083G > T mutation also contributed to the increase of mutations among the viral progeny. The findings indicate that the 11083G > T mutation of SARS CoV 2 spread during Diamond Princess shipboard quarantine and arose through de novo RNA recombination under positive selection pressure. In three patients on the Diamond Princess cruise, two mutations, 29736G > T and 29751G > T (G13 and G28) were located in Coronavirus 3′ stem loop II like motif (s2m) of SARS CoV 2. Although s2m is considered an RNA motif highly conserved in 3' untranslated region among many coronavirus species, this result also suggests that s2m of SARS CoV 2 is RNA recombination/mutation hotspot. SARS CoV 2's entire receptor binding motif appeared, based on preliminary observations, to have been introduced through recombination from coronaviruses of pangolins. However, more comprehensive analyses later refuted this suggestion and showed that SARS CoV 2 likely evolved solely within bats and with little or no recombination.
Роль рекомбинации в происхождении жизни
Новак и Оцуки отметили, что происхождение жизни (абиогенез) является также и происхождением биологической эволюции. Они указали на то, что вся известная жизнь на Земле основана на биополимерах, и предположили, что любая теория происхождения жизни должна включать в себя биологические полимеры, выполняющие функции носителей информации и катализаторов. Леман утверждал, что рекомбинация – это эволюционное развитие, столь же древнее, как и само происхождение жизни. Смайл и др. предположили, что на первобытной Земле рекомбинация играла ключевую роль в расширении изначально коротких информационных полимеров (предположительно РНК), являвшихся предшественниками жизни.