Рекомбинация - это процесс, который обеспечивает перемешивание генов в ряду поколений. При формировании половых клеток гены, полученные от родителей, “перетасовываются”, и в каждую гамету попадает только половина родительских генов. При оплодотворении гены двух родителей случайно комбинируются в зиготе. Сочетание этих двух случайных процессов - тасовки генов в генеративных клетках и встречи гамет - обеспечивает уникальность набора генов каждого организма.
Этот процесс был открыт в начале XX в. на основе анализа результатов скрещиваний. Сейчас в изучении рекомбинации используют весь арсенал современных методов молекулярной и клеточной биологии. И тем не менее процесс остается во многом загадочным. До сих пор идут бурные дебаты о том, зачем нужна рекомбинация. Непонятно, отчего она так сложно и, казалось бы, нелогично организована. Неясно, как распределяются по геному ее горячие и холодные точки. Попытаемся ответить на эти вопросы, рассмотрев рекомбинацию в свете эволюции.
Зачем нужна рекомбинация
Рекомбинация - главный генератор фенотипического разнообразия, того самого, с которым оперирует естественный отбор, тех отличий между организмами, которые играют решающую роль в их борьбе за существование. Мы привыкли думать, что эти различия определяются мутациями генов. Это и верно, и неверно одновременно.
Мутации меняют гены. Ген может быть неузнаваемо испорчен мутацией, изменен с сохранением функции (синонимически) или с ее потерей. Мы должны ясно понимать, что функция каждого гена определяется его взаимодействием с другими генами. Поэтому и функцию гена, и ее изменения следует рассматривать исключительно в рамках конкретного метаболического пути или регуляторной генной сети, в которых задействованы продукты этого гена. Бессмысленный или неверный ген из одной генной сети может приобрести новый, неожиданный смысл в другой; синоним в одном контексте оказаться антонимом в другом. Таким образом, мутации меняют фенотип не сами по себе, а в сочетании с другими генами.
Разнообразие фенотипов, которое мы наблюдаем, есть воплощенное разнообразие генных сочетаний. А поскольку рекомбинация обеспечивает постоянную генерацию все новых и новых сочетаний, мы имеем полное право назвать этот замечательный механизм генератором фенотипического разнообразия.
Рекомбинация, видимо, возникла одновременно или вскоре после появления жизни. Однако на первых порах она была робкой и спорадической. Такой она и остается в мире прокариот. Бактерии иногда входят в контакт друг с другом и обмениваются генетической информацией, чаще когда их жизнь становится хуже. Но из этого не следует, что рекомбинация непременно облегчает им жизнь, повышает их приспособленность. Она дает им шанс, надежду на то, что новая комбинация генов окажется полезной.
Регулярная, запланированная и обязательная рекомбинация появилась гораздо позже, одновременно или вскоре после возникновения эукариотических клеток. В пользу этого предположения свидетельствует тот факт, что у подавляющего большинства современных эукариот рекомбинация происходит регулярно, а ее молекулярные и клеточные механизмы у самых разных организмов поразительно сходны. Сходство мы обнаруживаем и в том, что у всех них рекомбинация так или иначе связана с размножением. У эукариот, в отличие от бактерий, результаты рекомбинации проявляются не у самих организмов, а у их потомков.
Если мы сравним размножение бесполых (не рекомбинирующих) и половых (регулярно рекомбинирующих) организмов, нам сразу бросится в глаза поразительная неэффективность последнего варианта размножения. Представим себе два острова. На одном живут самец и самка, способные к половому размножению и, следовательно, к рекомбинации. На другом - две самки, размножающиеся бесполым путем. Ограничим плодовитость и тех и других самок двумя потомками. После первого же цикла размножения на бесполом острове родится четыре потомка, а на половом - два. Если на половом острове оба родившихся детеныша будут одного пола, то на этом вся история закончится. Если на свет появятся самка и самец, то эта пара произведет еще двух потомков, а на бесполом острове их родится уже восемь. Таким образом, при заданных условиях численность популяции бесполого острова будет расти экспоненциально, а на половом она так и останется равной двум особям. Очевидно, что эффективность бесполого размножения значительно выше (рис.1).
Рис.1.
Почему же тогда у эукариот, как правило, размножение половое, а бесполое - лишь редкое исключение? Именно потому, что при половом размножении возможна рекомбинация. Но если организмы, размножающиеся половым путем, так значительно проигрывают бесполым в эффективности размножения, то рекомбинация должна давать им преимущества, с лихвой покрывающие этот гигантский проигрыш. В чем же они заключаются?
Вернемся на наши умозрительные острова. И на одном, и на другом острове в генеративных клетках их обитателей возникают мутации. Полностью защититься от мутаций в принципе невозможно, ведь с ними неизбежно сопряжено копирование ДНК. Большинство мутаций оказываются вредными. Парадоксально, но очень вредные мутации не так опасны для генофонда популяции, как не очень вредные. Очень вредные мутации несовместимы с жизнью, их носители немедленно выбраковываются, и, следовательно, такие мутации не накапливаются в генофонде. А не очень вредные передаются потомкам, затем у них возникают новые не очень вредные мутации, и в итоге генофонд бесполой популяции медленно, но верно деградирует (рис.2,а).
Рис.2.
Выдающийся генетик Герман Мёллер впервые обратил внимание на медленную, но неуклонную деградацию бесполого генофонда за счет последовательного накопления не очень вредных мутаций. Сейчас в научной литературе этот процесс называется храповиком Мёллера. Мёллер показал, что бесполые популяции, несмотря на давление мутационного процесса, могут поддерживать свое существование за счет очень высокой численности и сильного давления стабилизирующего отбора, благодаря которому носители даже не очень вредных мутаций быстро погибают, а их место занимают клоны, свободные от мутаций.
Однако у храповика Мёллера есть еще одна неприятная особенность. Чем больше у организма генов, тем больше он накапливает мутаций. Вероятность мутации одного гена приблизительно равна 10-5 на гамету за поколение. Это значит, что каждая вторая из 10 тыс. гамет, содержащих 5 тыс. генов (именно столько их у бактерий), несет одну новую мутацию. Если в гамете 30 тыс. генов, как у нас млекопитающих, то каждая из 10 тыс. гамет несет в среднем три новых мутаций. Отсюда третье условие, позволяющее виду жить с храповиком Мёллера, - малый размер генома и как следствие - относительная простота организации.
Мощное и радикальное средство борьбы с храповиком Мёллера - рекомбинация. Перетасовывая гены при образовании гамет, она может перегрузить мутациями одни гаметы и одновременно недогрузить другие. В итоге особи, возникшие из перегруженных мутациями гамет, погибают, а продукты гамет, очищенных от мутаций, процветают (рис.2,б). Это позволяет рекомбинирующим организмам избавиться от ограничений, накладываемых храповиком Мёллера. Они могут позволить себе роскошь иметь большие геномы. Отсюда получается, что все мы высшие и сложные оттого, что наши далекие одноклеточные предки открыли для себя рекомбинацию и создали механизмы, гарантирующие регулярную перетасовку генов из поколения в поколение.
Гипотеза Мёллера - не единственное объяснение преимуществ рекомбинации. Очень подробные обзоры гипотез о преимуществах рекомбинации даны в книгах Дж.Мэнард Смита и М.Ридли .
Генетической рекомбинацией называется группа процессов, в ходе которых клеточные механизмы заставляют ДНК изменяться или "переобъединяться" (т.е., рекомбинировать) в похожей (гомологической) последовательности. В ходе этого процесса происходит объединение в пары комплементарных нитей ДНК, что ведёт к физическому обмену хромосомным материалом. Рекомбинация генетической информации производится клеткой в различных целях, включая репарацию повреждённой ДНК, а также внесение в популяцию разнообразия при половом размножении . В некоторых случаях рекомбинация меняет гены , добавляя в популяции новые аллели . С точки зрения креационизма, в общем случае речь идёт о механизме, специально разработанном Господом с целью получения значительного разнообразия, наблюдаемого в пределах каждого из сотворённых видов ; эволюционисты же полагают, будто причиной этого разнообразия являются случайные мутации В то же время, многие реационисты делают оговорку, что ничего нового рекомбинация в генофонд не добавляет. Джонатан Сарфати утверждает:
Биологи открыли целый ряд механизмов, способных вызывать радикальные изменения в количестве данных в ДНК организма: дупликация генов, полиплоидия, инсерции, и др., но всё это неспособно объяснить "эволюцию". Да, при этом количество данных в ДНК может и возрастать, но количество полезной генетической информации не увеличивается - эти механизмы не создают ничего нового.
Теория
Место, которое ген занимает в составе хромосомы , называется локусом . Взяв отдельный экземпляр организма, можно обнаружить в заданном локусе два варианта этого гена. Эти дублирующие формы генов называются аллелями . В ходе мейоза I, когда хромосомы выстраиваются по экватору, две нити хромосомной пары могут физически пересекаться (т. наз. перекрест или кроссинговер), и при этом клетка производит генетическую рекомбинацию. Рекомбинация приводит к новому расположению материнских и отцовских аллелей в той же хромосоме. Хотя те же гены расположены в том же порядке, аллели получаются другими. Этот процесс объясняет, почему потомки одних и тех же родителей могут быть такими разными. Теоретически возможно получение у потомков любой комбинации родительских аллелей, и если у потомка те или иные две аллели объединены, никак не влияет на статистическую вероятность того, что такая же комбинация получится у другого потомка. Этот "независимый ассортимент" аллелей является основой генетического наследования. Но есть одно исключение из данного правила, требующее более подробного объяснения. Частота рекомбинации для различных сочетаний генов неодинакова. Причина этого состоит в том, что на рекомбинацию сильно влияет то, насколько близко один ген расположен к другому. Если два гены в хромосоме расположены близко друг к другу, вероятность их разделения при рекомбинации меньше, чем для генов, расположенных дальше друг от друга. Связи получаются по причине склонности генов к совместному наследованию с учётом их расположения в одной хромосоме. Нарушением равновесия связей называют ситуацию, в которой некоторые сочитания генов или генетических маркеров встречаются в популяции чаще, или, наоборот, реже, чем можно ожидать, принимая в расчёт расстояния между ними. Именно так исследователи ищут ген, вызывающий то или иное заболевание. Они сопоставляют случаи наличия в ДНК той или иной последовательности со случаями этого заболевания. Если они обнаруживают значительную корреляцию между этими событиями, то делают вывод, что приблизились к нахождению той последовательности генов, которую ищут.
Предположения сторонников эволюционизма
Неслучайная рекомбинация
С момента открытия и использования кроссинговеров в генетических картах предполагалось, что они приисходят на случайных расстояниях вдоль хромосомы. Считалось, что частота кроссинговеров напрямую связана с расстояниями между генами, но ряд отрытий показал наличие различных интенсивностей и схем рекомбинации, что потребовало пересмотреть расстояния на картах. Теперь хорошо известно, что частота рекомбинации не является постоянной ни в одной из клеток. В некоторых областях генома она происходит на несколько порядков чаще, чем в других. Такие "гиперактивные" области назвали "горячими точками", а неактивные, где обмена почти или совсем не происходит - "холодными". . Частота случаев рекомбинации также неслучайна. Значительное различие по этому параметру наблюдается при сравнении клеток зародышевой линии с соматическими. Например, частоту митотической рекомбинации у гриба Устилаго майдис оценивают в 2.9 x 10 7 , а при мейозе наблюдаются значения порядка 1.9 x 10 3 . Зависит частота рекомбинации и от пола. При помощи стандартного анализа связей было подтверждено, что у женского пола интенсивность рекомбинации выше, чем у мужского, и во втором случае она чаще происходит в дистальной части хромосомы. Применяя эти и другие методы по отдельности, исследователи убедились в заметном межиндивидуальном различии параметров рекомбинации на малых расстояниях . Другие исследователи продемонстрировали влияние фоновых явлений на частоту рекомбинации, используя иммуноокрашивание для получения доступа к схемам мейотического обмена. Обнаружено, что часто случаи кроссинговера распределены не случайно, и имеет место т. наз. позитивная интерференция (ситуация, когда один кроссинговер снижает вероятность других в смежных областях - прим. перев.). . В дополниние к случаям обмена в ходе деления клеток, генетическая рекомбинация участвует и в других формах внесения изменений в ДНК. Например, она вызывается либо подавляется, как функция, заранее заложенная в клетку, в ходе дифференциации и развития. Она также используется для безошибочной репарации ДНК, в этом случае предотвращая непреднамеренную изменчивость. Рекомбинация поддерживает целостность генома, исправляя целый ряд разновидностей повреждений в ДНК Гомологическая рекомбинация стимулируется двухцепочечными разрывами на любом этапе клеточного цикла, а также отвечае за выполнение удалений, дупликаций и транслокаций между диспергированными гомологами, которые часто являются реакциями на стресс Характерные подробности точной последовательности гомологии, требуемой для рекомбинации, остаются в основном неизвестными, но множество функций, выполняемых этими процессами, позволяет считать их основным механизмом, ответственных за практически все формы внесения изменений в последовательность, а также её поддержания.
Новые аллели
Недавно исследователями был признан ещё один вид генетической рекомбинации, имеющий общие механизмы с мейотическими кроссинговерами, и с большой вероятностью отвечающей за формирование новых аллелей . Этот процесс, названный генной конферсией, использует шаблонную ДНК для внесение изменений в активные последовательности. В его ходе псевдогены, которые в прошлом часто называли "мусорной ДНК", часто используются для внесения этих изменений Генную конверсию в большинстве случаев легко отличить от кроссинговеров, поскольку изменяется лишь один из гомологов. Сегодня тщательно задокументировано, что миотическая рекомбинация через генную конверсию способна создавать генетически изменённые клетки, и исследователи предполагают, что этот процесс способен вести к получению гена с новыми функциями за счёт перестановки различных частей родительских рамок считывания . Репарация ДНК также происходит, когда уцелевшая копия из сестринской хроматиды или гомологической хромосомы используется для замены повреждённой области (избыточность, приблизительно как в зеркальном RAID-массиве - прим. перев.). Генную конверсию теперь считают ответственной за проведение многих изменений, которые раньше приписывали другим механизмам репарации либо[[мутация]м].
Кроссинговер - это обмен между двумя гомологическими областями, но в ходе генной конверсии изменяется лишь один из гомологов. Остальные области той же хромосомы вместо этого обычно используются для конверсии гена, и тем самым вводят в популяцию новые аллели. Этот механизм отвечает за создание новых аллелей в иммуноглобулины, локусы MHC, и др.
Изменчивые гены
Многообразие в пределах популяции имеет место, поскольку гены, участвующие в получении характеристики, содержатся в ряде аллелей, и потому наследственные черты полиморфны, т.е., имеются более, чем в одной форме. У близкородственных организмов обычно очень много аллелей. Например локус гена цистатионина бета-синтазы хорошо изучен у людей, и, например, Exon 8 имеет значительную частоту изменений единичных нуклеотид . Оценивается, что приблизительно 5 % людей европиоидной расы имеют вариации в этой области . Эволюционисты в общем случае полагают, будто новые аллели являются результатами случайных мутаций , постепенно накопленных за миллионы лет. Но живущие популяции были подвергнуты проверке всего лишь через десятилетия после ярко выраженных проявлений "эффекта бутылочного горлышка " - и генетическое разнообразие при этом оказывалось удивительно большим. Это весомое подтверждение наличия механизма быстрого восстановления изменчивости, но исследовано это явление недостаточно. Объяснение для этого восстановления разнообразия было предложено после открытия того, что в любом геноме много генов, гиперизменчивых по сравнению с другими. Не все гены изменчивы. Большинство генов в геноме относится к генам "домашнего хозяйства), и в основном остаются неизменными даже при сравнении двух сильно различающихся между собой особей. А изменчивые гены значительно изменяются от одного поколения к другому, и для каждого из них схема изменения неслучайна . Характеризация изменчивых генов к настоящему моменту показывает, что это разнообразие возникает систематически через генную конверсию под строгим контролем со стороны клетки. Например, у изменчивых генов есть "горячие" и "холодные" точки активности, аналогичные имеющим место при генных кроссинговерах в ходе мейоза . Да и разнообразие они часть проявляют большее, чем нейтральные области между рамками считывания. . Аналогичным образом стало известно, что изменчивые гены сохраняют кодоны в определённых местах в пределах изменяющейся области . Преобладание несинонимичных замещений над синонимичными дополнительно подтверждает неслучайность . Всё отчётливее назревает вопрос: а действительно ли изменчивость - результат случайных мутаций, как полагают эволюционисты?
Адаптация
Адаптация к определённой среде обитания или нише влечёт за собой во многом включает в себя неохарактеризованные модификации генома, и многое из того, что изучено о генетической наследственности, сформулировано теоретиками, не признающими, что клетки специально спроектированы таким образом, чтобы осуществлять эти изменения целенаправленно. Способность клетки производить новые аллели в течение длительного времени понимали неправильно, поскольку результаты этих процесов списывали на источник, независимый от предназначения клетки - мутацию. Механизм действия этого вида генной конверсии ещё не полностью изучен, но уже чётко показывает, что клетка способна заданным образом вносить изменения в гены, и тем самым быстро увеличивать количество аллелей в популяции. Дальнейший сбор сведений станет дополнительным весомым свидетельством того, что именно заданная конструкция клеток отвечает за генетическую изменчивость , а также результирующую способность приспосабливаться.
Источники
- .Генетическая изменчивость заложена изначально - Крис Эшкрафт , Journal of Creation № 18(2), 2004 год.
- Сарфати, Джонатан.. Опровергаем эволюцию - 2 Глава 5. Некоторые мутации якобы идут на пользу . Greenforest AR: Master Books, 2002 год. (p104)
В случае остановки репликационной вилки у эукариот, бактерий и архей . У вирусов возможна рекомбинация между молекулами РНК их геномов .
Рекомбинация у эукариот обычно происходит в ходе кроссинговера в процессе мейоза , в частности, при формировании сперматозоидов и яйцеклеток у животных. Рекомбинация, наряду с репликацией ДНК, транскрипцией РНК и трансляцией белков , относится к фундаментальным, рано возникшим в процессе эволюции , процессам.
См. также
Wikimedia Foundation . 2010 .
- Паранефрит
- Рихтер, Карл
Смотреть что такое "Рекомбинация (биология)" в других словарях:
РЕКОМБИНАЦИЯ - (от лат. re приставка, здесь означающая возобновление, повторпость действия, и ср. лат. combinatio соединение), перераспределение генетич. материала родителей в потомстве, приводящее к наследственной комбинативной изменчивости живых организмов,… … Биологический энциклопедический словарь
РЕКОМБИНАЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКАЯ - реорганизация ге нетич. материала, обусловленная обменом отдельными сегментами (участками) двойных спиралей ДНК. Р. г. главный фактор непостоянства генома, основа большинства его изменений, обусловливающая естеств. отбор, микро и макроэволюции.… … Химическая энциклопедия
МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ - изучает явления жизни на уровне макромолекул (гл. обр. белков и нуклеиновых к т) в бесклеточных структурах (рибосомы и др.), в вирусах, а также в клетках. Цель М. б. установление роли и механизма функционирования этих макромолекул на основе… … Химическая энциклопедия
Жизненный цикл (биология) - У этого термина существуют и другие значения, см. Жизненный цикл. Схематическое изображение основных типов жизненных циклов с чередованием диплоидной и гапл … Википедия
Старение (биология) - У этого термина существуют и другие значения, см. Старение. Старая женщина. Анн Поудер 8 апреля 1917 года в свой 110 й день рождения. Сморщенная и сухая кожа типичный признак старения человека … Википедия
Дезоксирибонуклеиновая кислота - Двойная спираль ДНК Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) макромолекула(одна из трех основных, две другие РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования… … Википедия
Двойная спираль - ДНК Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) один из двух типов нуклеиновых кислот, обеспечивающих хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Основная роль ДНК в… … Википедия
Модель Уотсона - Крика - Двойная спираль ДНК Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) один из двух типов нуклеиновых кислот, обеспечивающих хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Основная… … Википедия
Эволюция - Эта статья о биологической эволюции. Другие значения термина в заглавии статьи см. на Эволюция (значения). Фи … Википедия
РЕКОМБИНАЦИЯ (лат. re- приставка, означающая повторение, возобновление, + позднелат. combinatio соединение) - процесс перегруппировки генетического материала, результатом к-рого является появление новых сочетаний генетических структур (генов, хромосом, участков хромосом и т. д.) и контролируемых ими признаков у дочерних особей или клеток. Тот или иной вид генетической Р. существует у всех живых организмов и составляет материальную основу наследственной изменчивости (см.). Р. у эукариотов осуществляется в митозе (см.) и в мейозе (см.), когда происходит распределение хромосом и кроссинговер.
Примером генетической Р. служит следующее: напр., если один из родителей имеет светлые волосы и карие глаза, а другой - темные волосы и голубые глаза, то их дети могут унаследовать сочетание цвета волос и глаз кого-либо из родителей либо эти признаки проявятся у них в новых, рекомбинантных сочетаниях (светлые волосы и голубые глаза или темные волосы и карие глаза).
Существует несколько видов генетической Р. У эукариотов основными видами Р. являются: Р. несцепленных генов в результате независимого распределения негомологичных пар хромосом (см. Хромосомы) в мейозе и случайной встречи гамет при оплодотворении (см. Менделя законы); Р. сцепленных генов и несущих их гомологичных хромосом в результате кроссинговера. Иногда эти два вида Р. обозначают как Р. хромосом в широком смысле, хотя чаще иод Р. хромосом понимают только процесс кроссинговера и его результат. У прокариотов (бактерий, вирусов) аналогом кроссинговера является рекомбинация ДНК. О спектре изменчивости, обеспечиваемой Р., можно судить по следующему примеру. В нормальном хромосомном наборе человека 23 пары хромосом (см. Хромосомный набор). Если у индивида по каждой паре хромосом имеет место гетерозиготность хотя бы в одном локусе (в действительности степень гетерозиготности у человека гораздо выше), то только за счет независимого распределения негомологичных пар хромосом в мейозе такой индивид даст 2 23 , т. е. ок. 10 млн., генетических вариантов гамет. Наличие кроссинговера по меньшей мере удвоит это число. Поскольку то же самое может иметь место у брачного партнера, да еще и с вовлечением Р. по другим генам, то потенциальное генетическое разнообразие потомков одной человеческой пары будет порядка нескольких миллиардов вариантов. Этот пример показывает также, что спектр ком-бинативной изменчивости особенно широк при половом размножении многохромосомных биол. видов, в т. ч. и человека, что практически обеспечивает генетическую уникальность каждого индивида.
У многоклеточных организмов, помимо мейотической Р., может иметь место и митотическая (соматическая) Р., в результате к-рой у гетерозиготных по каким-либо признакам особей возможно появление участков (пятен) ткани, образованных клонами клеток рекомбинантного генотипа, а сами особи становятся так наз. мозаиками (см. Мозаицизм). Чем раньше в онтогенезе произойдет соматическая Р., тем большая доля клеток тела будет иметь рекомбинантный тип. В первом делении дробления Р. может дать мозаика с равными количествами исходных и рекомбинантных клеток. Если митотическая Р. затрагивает не только соматические клетки, но и инициальные клетки гонад, говорят о гонадно-соматическом мозаицизме. В этом случае часть потомства может унаследовать рекомбинантное сочетание генов. Спонтанный уровень митотической Р. обычно очень низок, но может сильно повышаться под воздействием ионизирующего излучения и других мутагенов (см.).
Рекомбинация хромосом
Р. гомологичных хромосом в мейозе доказана Т. Морганом с сотр. при изучении случаев дефицита рекомбинантов в ди- и тригибридных скрещиваниях по отношению к числу ожидаемых рекомбинантов в соответствии с законом независимого комбинирования. Были установлены следующие количественные закономерности.
1. Частота Р. каждой данной пары сцепленно наследуемых генов постоянна и не зависит от их исходной комбинации. Напр., при генотипе дигибрида АВ/ab частота рекомбинантных гамет АЬ и аВ будет такой же, как частота рекомбинантных гамет АВ и ab.
2. Частота Р. разных пар сцепленно наследуемых генов различна и может составлять от малых долей процента почти до 50% (последнее соответствует ожидаемой частоте рекомбинантов при несцепленном, независимом наследовании).
3. При малой и средней частоте Р. (не более 20%) у тригибридов по сцепленно-наследуе-мым признакам наибольшее значение частоты Р. равно сумме двух других. Напр., у тригибрида АВС/аЬс, если частота Р. между А и В составляет 5%, а между В и С - 10%, частота Р. между А и С окажется равной 15%.
Эти закономерности лучше всего объясняются тем, что сцегшенно-наследуемые признаки определяются генами, расположенными в линейной последовательности в фиксированных локусах одной и той же пары гомологичных хромосом, а их Р. является результатом обмена участками между гомологами (рис. 1), причем, чем дальше друг от друга находятся два гена, тем больше вероятность их Р. Такой обмен участками двух гомологичных хромосом в мейозе получил название кроссинговера или перекреста хромосом, а его продукты - кроссоверных хромосом. Комплексное генетическое (по фенотипическим признакам) и цитологическое (по маркерным хромосомам) изучение Р. позволило доказать реальность существования и всеобщность процесса кроссинговера в мейозе у всех эукариотических организмов. В норме кроссинговер происходит в строго гомологичных точках пары хромосом так, что они обмениваются строго одинаковыми по генным последовательностям сегментами. Тот факт, что при этом не наблюдают потери изучаемых маркеров, позволил сделать вывод, что кроссинговер происходит между генами без нарушения их целостности. Относительное постоянство частоты кроссинговера на каждом данном участке хромосомы послужило основанием для избрания этой частоты в качестве меры расстояния между генами.
За единицу генетической длины хромосомы принимается ее отрезок, на к-ром частота мейотического кроссинговера равна 1%. Эту единицу называют морганидой, кроссоверной единицей или единицей карты. Последнее название связано с тем, что полные данные по Р. сцепленно-наследуемых генов позволяют построить линейные генетические карты хромосом, описывающие последовательность генов и генетические расстояния между ними (см. Хромосомная карта). По мере накопления данных о генетических расстояниях между маркерами всегда оказывалось, что число выявленных групп сцепления имеет своим верхним пределом число хромосом в гаплоидном наборе данного вида. Это является еще одним доводом в пользу того, что сцепленное наследование признаков есть проявление локализации контролирующих их генов на одной паре гомологичных хромосом.
Рис. 2. Схематическое изображение множественного кроссинговера: I - исходные хромосомы, условно обозначенные ABCDEFGH и abcdefgh (пунктиром показаны места будущего перекреста); АВ - ab, CD - cd, EF - ef и GH - gh. - гомологичные участки хромосом; II - перекрест; III - кроссоверные хромосомы: ABcdEFgh и abCDefGH.
Между генами, расположенными далеко друг от друга на одной хромосоме, может произойти несколько перекрестов (рис. 2). Продукты четного числа перекрестов будут неотличимы от исходных сочетаний. Поэтому для построения точных генетических карт прибегают к последовательному объединению относительно коротких участков хромосом, на к-рых множественные перекресты менее вероятны.
На оценку рекомбинационных расстояний между сцепленными генами влияет интерференция крос-синговера - изменение вероятности второго события кроссинговера на участке хромосомы, примыкающем к точке предыдущего перекреста в данном процессе мейоза. Мерой интерференции служит коэффициент коинциденции (совпадения) - отношение частоты реально наблюдаемых двойных перекрестов на участке хромосомы к их частоте, ожидаемой на этом участке в отсутствие интерференции, т. е. к произведению частот одинарных перекрестов. В отсутствие интерференции коэффициент коинциденции равен 1. Если случившийся кроссинговер препятствует осуществлению второго кроссинговера вблизи данного локуса той же пары хромосом в том же мейозе, то интерференцию называют положительной; в этом случае коэффициент коинциденции может иметь значения от нуля (абсолютная интерференция) до величин, близких к единице. Если первый кроссинговер повышает вероятность второго, что случается реже, то говорят об отрицательной интерференции (коэффициент коинциденции больше 1).
Расстояния между генами на генетических картах не строго пропорциональны физическим расстояниям между ними на хромосомах, но последовательность расположения генов в обоих случаях одна и та же. Это обусловлено неодинаковой частотой кроссинговера в разных участках хромосом. Напр., на околоцентро-мерных гетерохроматических участках хромосом кроссинговер обычно (но не у всех объектов) на одну единицу физической длины хромосомы случается реже, чем в эухроматиче-ских участках.
Мейотический кроссинговер, ведущий к формированию рекомбинантных гамет, обусловливает комбинативную генотипическую изменчивость (см.) и обеспечивает все внутривидовое генетическое разнообразие и формирование (но и распад) коадаптированных генных комплексов. Препятствовать рекомбинационному распаду уже возникших генных комплексов могут инверсии хромосом (см. Инверсия), особенно перекрывающиеся, широко распространенные у гетерозигот в природных популяциях нек-рых биологических видов.
Наряду с мейотическим возможен и митотический кроссинговер, происходящий в соматических клетках и ведущий к возникновению клонов рекомбинантных клеток, к-рые могут проявляться мозаицизмом по соответствующим признакам. Мейотический кроссинговер происходит в профазе I мейоза, когда хромосомы представлены четырьмя хроматидами, при этом рекомбинируют только две, как правило, несестринские, хроматиды. Собственно обмену генетического материала предшествует разрыв хроматид, хотя нельзя исключить и механизм обмена путем периодической смены матриц в процессе репликации ДНК хромосом (см.. Репликация).
Необходимой предпосылкой правильного (строго равного) кроссинговера является конъюгация хромосом (см.), при к-рой локусы хромосом точно «опознают» друг друга так, что в контакт вступают только строго гомологичные участки хромосом. На молекулярном уровне специфичность конъюгации хромосом в мейозе обеспечивается, по-видимохму, наличием в составе ДНК хромосом большого числа коротких (примерно по 100 нуклеотидов каждая) последовательностей так наз. зиготенной ДНК (зДНК), довольно равномерно и часто распределенных по всей длине всех хромосом. К стадии лепто-тены вся ДНК хромосом, кроме зДНК, удваивается и образует супер-спирализованные нити, соединенные с гистонами (см.), а зДНК вступает в контакт по всей длине двух конъюгирующих хромосом. В начале стадии зиготены появляется специфический белок, способный расплетать двойные спирали ДНК, не связанной с гистонами. Т. о., зДНК расплетается и с помощью водородных связей образует с зДНК гомологичной хромосомы гибридные двойные спирали - гетеродуплексы. Их образование происходит строго комплементарно, и они последовательно распространяются по длине конъюгирующих хромосом. Параллельно идет образование так наз. синапто-немного комплекса, к-рый состоит из двух продольных белковых тяжей и тонких поперечных белковых волокон. Этот комплекс обеспечивает фиксацию хромосом в положении гомологичной конъюгации и в то же время препятствует их необратимому слипанию. В зиготене гетеродуплексы зДНК распадаются, а сама зДНК реплицируется.
Инверсии хромосом, особенно множественные перекрывающиеся инверсии, препятствуют Р. хромосом, т. к. множественные различия в последовательностях генов обычной хромосомы и ее инвертированного гомолога не дают возможности инвертированным хромосомам специфически конъюгировать по всей длине. Хромосомы со множественными инверсиями получили название запирателей перекреста. Они широко используются в генетическом анализе, для предупреждения перестройки тестируемых хромосом.
Основными аномалиями Р. хромосом являются неравный кроссинговер и конверсия генов. Неравный кроссинговер возникает довольно редко и обычно приурочен к определенному локусу хромосому, где конъюгация, происходит не строго гомологично, а с нек-рым смещением. Причина такого смещения пока не ясна. В результате неравного кроссинговера одна кроссоверная хромосома несет удвоение (дупликацию) участка между точками разрыва гомологов, а в другой кроссоверной хромосоме происходит делеция этого участка. Хотя такие нарушения не всегда можно подтвердить цитологически, функционально они близки к микроскопически обнаружимым случаям дупликаций (см.) и делеций (см.), известны в мед. генетике как частичные трисомии и моносомии. В ряде случаев Такие аномалии хромосом могут быть причиной хромосомных болезней (см.). Существует также представление о том, что дупликация генов и участков хромосом с последующим независимым мутированиехм каждого из дубликатов служит важным механизмом эволюционного усложнения генетических систем. В процессе гаметогенеза у гетерозигот типа Аа хМожет происходить образование продуктов мейоза не в обычном соотношении 2А:2а, а в соотношении ЗА: 1а, хотя по соседним тесно сцепленным локусам соотношение 2:2 сохраняется. Такой феномен называют конверсией генов. Экспериментально конверсию генов удается наблюдать только у грибов. Существование и значение конверсии генов у других организмов почти не изучено.
Кроме обмена несестринскими хроматидами, характерного для мейотической и митотической Р., как в мейозе, так и в митозе могут происходить сестринские хроматидные обмены, обнаруживаемые только при дифференциальной идентификации (окраска, изотопная метка) сестринских хроматид.
Рекомбинация у бактерий
Процесс Р. у бактерий имеет нек-рые особенности, связанные со специфичностью их генетической организации, форм генетического обмена и функционирования систем генетической регуляции (см. Бактерии, генетика бактерий). Генетический материал бактериальной клетки представлен кольцевой молекулой ДНК, имеющей длину ок. 1000 мкм и конфигурацию суперспирали. Такая молекула способна к самокопированию - репликации (см.), функционируя при этом как самостоятельная единица (репликон) под контролем генетической системы регуляции. Кроме того, в клетках многих бактерий присутствуют дополнительные небольшие по размерам кольцевые молекулы ДНК - плазмиды (см.), эписомы (см.), способные к Р. При генетическом обмене между различными бактериями в реци-пиентную клетку обычно попадает лишь фрагмент хромосомы клетки-донора, что приводит к образованию частично диплоидных (меродиплоидных) зигот, тогда как плазмидные репликоны передаются полностью. После завершения переноса генетического материала в сформировавшихся меродиплоидных реципиентных клетках (зиготах) начинается процесс рекомбинации, к-рый по своему механизму напоминает кроссинговер хроматид конъюгирующих гомологичных хромосом эукариотов. Однако при Р. у бактерий в этом процессе участвует, с одной стороны, кольцевая молекула ДНК бактерии-реципиента (эндогенный генетический материал) и, с другой стороны, переданный в эту бактерию экзогенный фрагмент молекулы ДНК донора. Процесс начинается с синапса, т. е. с формирования соединения между экзогенным фрагментом ДНК и определенным участком эндогенной кольцевой молекулы ДНК, с к-рым этот фрагмент имеет гомологичные участки. Предполагают, что именно в этих местах возникают перекресты двух взаимодействующих структур, вслед за к-рыми в местах перекрестов с определенной частотой происходит разрыв молекул и последующее «ошибочное» воссоединение их разорванных концов. Результатом этого является включение того или иного фрагмента (либо нескольких различных фрагментов) экзогенного генетического материала в структуру эндогенного кольцевого репликона реципиент-ной бактериальной клетки, что обеспечивает возможность дальнейшего копирования включенного фрагмента (фрагментов). Противоположный (реципрокный) эндогенный фрагмент ДНК клетки-реципиента при кроссинговере превращается в экзогенную внехромосомную структуру» теряет способность копироваться и поэтому утрачивается бактериальной клеткой при последующих ее делениях. В результате Р. такого типа, получившей название классической или общей рекомбинации, из меродиплоидной зиготы возникают дочерние гаплоидные клетки (рекомбинанты) с теми или иными сочетаниями аллельных генов родительских генетических структур.
Классическая Р. у бактерий возможна не только между каким-либо репликоном и егонереплицирующейся частью (фрагментом этого репликона), но и между двумя различными полноценными репликонами (хромосомой и плазмидой, хромосомой и бактериофагом, двумя плазмидами и т. д.), если в структуре их ДНК имеются гомологичные участки. В результате такой Р. может происходить обмен генетическим материалом между реагирующими репликонами или же объединение (коинтеграция) двух взаимодействующих репликонов путем разрывов и воссоединений молекул ДНК в местах взаимной гомологии с образованием одной более крупной двурепликонной системы, а плазмида, обладающая свойствами эписомы, может с определенной частотой включаться в состав хромосомного репликона в процессе Р. в гомологичных участках этих структур и длительное время реплицироваться как часть единого (двойного) репликона под контролем хромосомной репликативной системы. Однако у небольшой части бактериальных клеток популяции, содержащих двойной репликон, возникают повторные Р., приводящие к возвращению интегрированной плазмиды в автономное состояние. Если в повторную Р. вовлекается участок гомологии, к-рый при первичной Р. служил местом взаимодействия двух структур, то происходит относительно правильное «вырезание» плазмидного репликона из состава двойного репликона. В случаях, когда повторная Р. происходит в иных участках гомологии, возможно включение нек-рых из прилежащих хромосомных генов в состав плазмидного репликона, т. е. происходит формирование «замещенной» плазмиды (рис. 3). Тот же механизм, приводящий к коинтегра-ции двух репликонов и к обмену участками генетического материала при их последующей диссоциации, имеет место, вероятно, и в случае Р. двух различных плазмид, обладающих гомологичными участками ДНК (рис. 4), а также плазмид и нек-рых бактериофагов или бактериофагов и хромосом. Все этапы классической Р. у бактерий обеспечиваются соответствующими ферментами (так наз. Иес-ферментами), а этот тип Р. обозначают также как Кес-зависимая Р.
Наряду с классической, или общей Р. широкое распространение у бактерий имеет «незаконная» рекомбинация, для осуществления к-рой не требуется значительной гомологии ДНК взаимодействующих структур. В такой Р. участвуют небольшие фрагменты ДНК, получившие название транслоцирующихся элементов, к-рые способны с определенной частотой перемещаться из одного репликона в другой, мигрируя среди бактериальных хромосом, плазмид, бактериофагов и др. (см. Транслокация). Известны два типа таких элементов - IS-элементы (англ. insertion sequences вставочные последовательности) и транспозоны. IS-элементы представляют собой специфические фрагменты ДНК, содержащие, вероятно, лишь те гены, к-рые необходимы для Р. с негомологичными участками различных репликонов. Эта Р. приводит к интеграции таких генов в структуры этих репликонов или к «вырезанию» соответствующих участков из таких структур. Однако конкретные механизмы такой Р. остаются неясными. При интеграции IS-элементов и их «вырезании» могут возникать мутации различных генов, связанные с перестройками (делециями, инверсиями, дупликациями и др.) соответствующих участков молекулы ДНК. Транспозоны представляют более сложные структуры, содержащие обычно в своем составе IS-элементы, к-рые и обеспечивают их «незаконную» Р., и дополнительные гены, не связанные с функциями интеграции (гены лекарственной устойчивости бактерий и др.).
Классическая и «незаконная» Р. бактерий обеспечивают широкие возможности генетического обмена между различными репликонами и их частями, что определяет высокие темпы изменчивости и эволюции этих структур и бактериальных популяций в целом в условиях интенсивного применения различных антибактериальных веществ и воздействий (антибиотиков, солей тяжелых металлов, ультрафиолетового и ионизирующего излучений и т. д.). В случае классической Р., требующей значительной гомологии взаимодействующих структур, эти процессы наиболее эффективны при внутривидовом генетическом обмене, тогда как «незаконная» Р. играет важную роль в перераспределении генов не только в пределах отдельных видов, но и между бактериями различных видов и родов. Предполагают также, что в результате включения идентичных IS-элементов и транспозонов в негомологичные участки репликонов бактерий различных видов возникают так наз. горячие точки Р., т. е. районы взаимной гомологии этих репликонов, обеспечивающие последующую классическую Р. между ними в условиях как внутривидового, так и межвидового обмена генетическим материалом. В микробиологии процессы Р. используются для получения гибридных форм бактерий с измененными вирулентными, антигенными и другими свойствами. Разработаны также методы создания искусственных рекомбинантов молекул ДНК из фрагментов, полученных с помощью рестриктаз, составляющие основу современной генной инженерии. Т. о., могут быть сконструированы новые рекомбинантные репликоны (плазмиды, бактериофаги), в структуре к-рых содержатся гены, в т. ч. полученные от многоклеточных организмов, представляющие практический интерес (напр., гены, контролирующие синтез определенных гормонов, витаминов, аминокислот, антибиотиков и др.). После введения таких репликонов в подходящие бактериальные клетки эти клетки могут быть использованы в мед. промышленности и других областях микробиол. производства для получения соответствующих биологически активных веществ. В результате спонтанной Р. возникают также различные атипичные формы патогенных и условно-патогенных бактерий.
Частота Р. может значительно колебаться в зависимости от ряда факторов. При классической Р. процесс способен существенно нарушаться из-за низкой гомологии взаимодействующих молекул, а также при мутациях генов, контролирующих Р. Низкая степень гомологии ДНК хромосом у бактерий различных видов и родов служит основной причиной низкой частоты Р. этих структур при межвидовых и межродовых скрещиваниях. Однако повторное использование полученных рекомбинантов в скрещиваниях может повышать частоту Р. за счет возрастания такой гомологии. Мутации, вызывающие потерю функциональной активности генов, контролирующих Р., приводят бактериальную клетку к полной или частичной потере способности осуществлять классическую Р., а также снижают ее способность к репарации генетических повреждений (см.).На процессы Р. у бактерий существенно влияют и факторы окружающей среды (состав питательной среды, температура, ультрафиолетовое и ионизирующее излучение, различные хим. вещества и др.).
Для изучения Р. у бактерий пользуются радиобиологическими, электронно-микроскопическими и другими физ.-хим. методами исследования, а также методами генетического анализа (см.) бактерий. Различные методы определения частоты Р. сцепленных генов лежат в основе генетического картирования бактерий.
Библиография: Бреелер С. Е. Молекулярная биология, с. 305, JI., 1973, библиогр.; Гершензон С. М. Основы современной генетики, с. 93, Киев, 1979; Кушев В. В. Механизмы генетической рекомбинации, Л., 1971, библиогр.; Ме fi-не л л Г. Бактериальные плазмиды, пер. с англ., с. 33 и др., М., 1976, библиогр.; Рекомбинантные молекулы, под ред. Р. Бирса и Э. Бэсита, пер. с англ., М., 1980, библиогр.; Физиологическая генетика, под ред. М. Е. Лобашева и С. Г. Инге-Вечтомова, с. 129 и др., Л.„ 1976, библиогр.; Хэйс У. Генетика бактерий и бактериофагов, пер. с англ., с. 257, 476 и др., М., 1965; Цитология и генетика мейоза, под ред. В. В. Хвостовой и Ю. Ф. Богданова, М., 1975.
В. И. Иванов; В. П. Щипков (бакт.).
РЕКОМБИНАЦИЯ
РЕКОМБИНАЦИЯ (от ре... и позднелат. combinatio - соединение) (генетич.), перераспределение генетич. материала родителей в потомстве, приводящее к наследственной комбинативной изменчивости живых организмов. В случае несцепленных генов (лежащих в разных хромосомах; см. Сцепление генов) это перераспределение может осуществляться при свободном комбинировании хромосом в мейозе, а в случае сцепленных генов - обычно путём перекреста хромосом - кроссинговера. Р.- универсальный биологич. механизм, свойственный всем живым системам - от вирусов до высших растений, животных и человека. Вместе с тем в зависимости от уровня организации живой системы процесс Р. имеет ряд особенностей. Проще всего Р. происходит у вирусов: при совместном заражении клетки родственными вирусами, различающимися одним или несколькими признаками, после лизиса клетки обнаруживаются не только исходные вирусные частицы, но и возникающие с определённой средней частотой частицы-рекомбинанты с новыми сочетаниями генов. У бактерий существует неск. процессов, заканчивающихся Р.: конъюгация, т. е. объединение двух бактериальных клеток протоплазменным мостиком и передача хромосомы из донорской клетки в реципиентную, после чего происходит замена отд. участков хромосомы реципиента на соответствующие фрагменты донора; трансформация - передача признаков молекулами ДНК, проникающими из среды сквозь клеточную оболочку; трансдукция - передача генетич. вещества от бактерии-донора к бактерии-реципиенту, осуществляемая бактериофагом. У высших организмов Р. происходит в мейозе при образовании гамет: гомологичные хромосомы сближаются и устанавливаются бок о бок с большой точностью (т. н. синапсис), затем происходит разрыв хромосом в строго гомологичных точках и перевоссоединение фрагментов крест-накрест (кроссинговер). Результат Р. обнаруживается по новым сочетаниям признаков у потомства. Вероятность кроссинговера между двумя точками хромосом приблизительно пропорциональна физич. расстоянию между этими точками. Это даёт возможность на основании экспериментальных данных по Р. строить генетические карты хромосом, т. е. графически располагать гены в линейном порядке в соответствии с их расположением в хромосомах, и притом в определённом масштабе. Молекулярный механизм Р. детально не изучен, однако установлено, что ферментативные системы, обеспечивающие Р., принимают участие и в таком важнейшем процессе, как исправление повреждений, возникающих в генетич. материале (ей. Репарация генетическая). После синапсиса вступает в действие эндонуклеаза - фермент, осуществляющий первичные разрывы в цепях ДНК. По-видимому, эти разрывы у мн. организмов происходят в структурно детерминированных участках-рекомбинаторах. Далее происходит обмен двойными или одинарными цепями ДНК и в заключение спец. синтетич. ферменты- ДНК-полимеразы - заполняют бреши в цепях, а фермент лигаза замыкает последние ковалентные связи. Ферменты эти выделены и изучены лишь у нек-рых бактерий, что позволило приблизиться к созданию модели P. in vitro (в пробирке). Одно из важнейших следствий Р.- образование реципрокного потомства (т. е. при наличии двух аллельных форм генов АВ и ав должны получиться два продукта Р.- Ав и аВ в равных кол-вах). Принцип реципрокности соблюдается, когда Р. происходит между достаточно удалёнными точками хромосомы. При внутригенной Р. это правило часто нарушается. Последнее явление, изученное гл. обр. на низших грибах, наз. генной конверсией. Эволюционное значение Р. заключается в том, что благоприятными для организма часто оказываются не отд. мутации, а их комбинации. Однако одноврем. возникновение в одной клетке благоприятного сочетания из двух мутаций маловероятно. В результате Р. осуществляется сочетание мутаций, принадлежащих двум независимым организмам, и тем самым ускоряется эволюционный процесс.
