Krydser over

Crossing over (fra engelsk  crossing over  -crossing) - processen med at udveksle sektioner af homologe kromosomer under konjugation i profasen af ​​den første division af meiose , som for eksempel opstår under dannelsen af ​​gameter eller sporer . Ud over meiotisk er mitotisk krydsning også blevet beskrevet .

Jo tættere generne er på hinanden , jo sjældnere forekommer krydsning mellem dem, derfor kan man, baseret på hyppigheden af ​​krydsning, bedømme genernes gensidige arrangement og afstanden mellem dem, det vil sige kortgener . Crossing over blev beskrevet i 1911 af den amerikanske genetiker Thomas Hunt Morgan og hans elev og samarbejdspartner Alfred Sturtevant i frugtfluen Drosophila melanogaster . I 1913 begyndte Sturtevant at lave genetiske kort baseret på krydsning af frekvenser. I 1933 modtog Morgan Nobelprisen i fysiologi eller medicin "for sine opdagelser relateret til kromosomernes rolle i arvelighed " [1] .

Opdagelseshistorie

Crossover blev først opdaget af Thomas H. Morgan og hans elev Alfred H. Sturtevant i frugtfluen Drosophila melanogaster i 1911, da de analyserede talrige mutationer lokaliseret på X-kromosomet . Morgan analyserede resultaterne af to krydsninger: i den ene blev hunner med en gul krop og hvide øjne krydset med vildtype hanner (grå krop, røde øjne), og i den anden blev hunner med hvide øjne og små vinger krydset med vilde -type hanner. I den første krydsning i den første generation (F1) var alle hunner vildtype , og hannerne viste begge mutante egenskaber; i anden generation (F2) havde langt de fleste fluer forældrenes fænotyper (vildtype eller gul krop og hvide øjne), men mindre end 1 % af fluerne havde enten en gul krop med røde øjne eller en grå krop med hvide øjne. I den anden krydsning optrådte også fluer med rekombinante fænotyper i F2, og deres andel var 34,5 % [2] .

På tidspunktet for ovenstående eksperimenter var chiasmata allerede blevet beskrevet under synapsen af ​​homologe kromosomer i meiose hos padder (de blev beskrevet af F. A. Janssens i 1909). Morgan foreslog, at det var chiasmataen, der var de punkter, hvor kromosomerne udvekslede deres sektioner, og opfandt udtrykket "krydsning" for at beskrive denne proces. Han forklarede forskellen i andelen af ​​rekombinante fænotyper opnået i det første og andet forsøg med forskellige afstande mellem gener: hyppigheden af ​​chiasmadannelse mellem gener med tæt afstand er mindre end mellem fjernere [2] .

Cytologiske baser

I 1909 beskrev F. A. Janssens dannelsen af ​​chiasmata, karakteristiske strukturer, der danner homologe kromosomer under krydsning, under meiose hos padder. Janssens foreslog også, at chiasmata kan indikere udveksling af kromosomer med genetisk materiale . Bevis for, at dannelsen af ​​chiasma er ledsaget af udveksling af sektioner af homologe kromosomer, blev opnået i 1931 for majs og Drosophila [3] .

Majs er blevet undersøgt Harriet Creighton og Barbara McClintock . De undersøgte en særlig form for majs, der er diheterozygot for to gener, c og wx , som bestemmer farven på endospermen . c- og wx- generne er lokaliseret på det samme kromosom, og i den undersøgte form af majs bar et af de to homologe kromosomer, der indeholder disse gener, en udvidet heterochromatin -region i den ene ende og en translokeret region af et andet kromosom i den anden. Det andet homologe kromosom havde ikke disse cytogenetiske egenskaber. Undersøgelser af rekombinante afkom opnået ved at krydse den beskrevne form for majs med planter, der er recessive i c- og wx -generne , viste, at i rekombinante planter blev den heterochromatin-blok eller den translokerede region overført til det andet homologe kromosom, det vil sige, at kromosomerne faktisk fysisk udvekslede deres regioner [4] .

Undersøgelser af Drosophila i samme retning blev udført af Kurt Stern . Han modtog en linje af Drosophila-hunner, diheterozygote for cr- og B -generne , som er lokaliseret på X-kromosomet og bestemmer henholdsvis farven og formen på øjnene. Disse hunner havde heteromorfe X-kromosomer: en af ​​dem var L-formet, da den indeholdt et lille fragment af Y-kromosomet , og den anden var meget forkortet på grund af translokationen af ​​dets segment (ikke indeholdt en centromer ) til det fjerde kromosom. De beskrevne hunner blev krydset med hanner, der er recessive for cr- og B -generne og har normale X- og Y-kromosomer. Rekombinant afkom (kun hunner, da mænds Y-kromosom kunne forveksles med det L-formede X-kromosom) blev undersøgt cytologisk og fandt ud af, at deres X-kromosomer undergik strukturelle ændringer, hvilket indikerer overførslen af ​​fragmenter mellem X -kromosomer, det vil sige krydsende [5] .

Da den fysiske karakter af krydsning endelig blev fastslået, opstod spørgsmålet, på hvilket stadium af cellecyklussen sker det. Teoretisk set kan overkrydsning forekomme før kromosomreplikation (på to- strengsstadiet ) og efter det (på firestrengsstadiet). For at besvare dette spørgsmål blev der brugt en tetradanalyse ved brug af pungdyrsvampen  - brødskimmel Neurospora crassa . Dannelsen af ​​haploide sporer i denne organisme sker inde i specielle strukturer - poser (asci) og inkluderer to divisioner : meiose og efterfølgende mitose , derfor indeholder en moden ask otte haploide sporer. Spindelaksen under meiose falder sammen med ascusens længdeakse; derfor er fire par haploide sporer arrangeret i en række i ascusen, og genotypen af ​​hvert sporepar er identisk. Når man studerede rækkefølgen og genotypen af ​​sporer i ascus, blev det vist, at krydsning sker efter kromosomfordobling, det vil sige når hver af dem består af fire kromatider . Hvis krydsning fandt sted før kromosomreplikation, ville ascusen af ​​en svamp , der er diheterozygot for gener A og B (dvs. med AaBb-genotypen), indeholde 4 sporer med Ab-genotypen og 4 sporer med aB-genotypen. Faktisk påvises sporer af fire genotyper i ascusen af ​​svampe med den angivne genotype, hvis rækkefølge i ascusen afhænger af hvilke ikke-søsterkromatider, der krydsede mellem . Den kendsgerning, at overkrydsning sker på fire-chromatidstadiet, er også blevet påvist i Drosophila. Dette blev gjort i 1925 af Calvin Bridges og I. Anderson [6] .

Det er nu kendt, at overkrydsning sker i profasen af ​​den første opdeling af meiose, som er opdelt i flere stadier. Det første stadie, leptoten , er præget af kondenseringen fordoblede kromosomer, på grund af hvilken de bliver synlige. Parring af sektioner af homologe kromosomer begynder i næste fase, zygoten, og i næste fase bliver pachyten, homologe kromosomer parret langs hele deres længde. Sådanne strukturer, der består af to forbundne homologe kromosomer, kaldes bivalente , og processen med at parre homologer kaldes også synapsis. Homologe kromosomer holdes sammen af ​​et komplekst proteinkompleks kaldet det synaptonemale kompleks . I det næste trin, i diplotenen, adskilles kromosomerne, men fortsætter med at blive tilbageholdt i chiasmataen, hvor krydsning finder sted. Det sidste trin af profasen af ​​den første deling af meiose, diakinesis, er ledsaget af endnu større kondensation af kromosomer, hvor alle fire kromatider bliver skelnelige, men chiasmer forbliver [7] .

Molekylær mekanisme

Oftest sker overkrydsning, når Spo11 -proteinet laver målrettede dobbeltskæringer i DNA-strengen [8] på en veldefineret måde, overvejende i promotorer og GC-rige regioner [9] . Typisk er disse regioner placeret ved såkaldte rekombinationshotspots, områder på ca. 1000-2000 basepar , der har en høj rekombinationsfrekvens. Fraværet af hot spots ved siden af ​​to gener på det samme kromosom betyder ofte, at disse gener vil blive nedarvet af fremtidige generationer i lige store proportioner [10] . Overkrydsning er baseret på homolog rekombination , som også spiller en vigtig rolle i reparationen af ​​dobbeltstrengsbrud [11] .

To hovedmekanismer for homolog rekombination er kendt: DSBR-vejen (dobbeltstrengsbrudreparation), også kendt som Holliday-dobbeltstrukturmodellen, og den synteseafhængige streng-annealing (SDSA)-vej [12] . Overkrydsning sker under DSBR-stien. Begge starter på samme måde. Når et dobbeltstrengsbrud i kæden påvises, står MRX-proteinkomplekset (i humant MRN ) på hver side af bruddet, efterfulgt af 5'-terminal trunkering i to separate trin. Det første trin er, at MRX parret med Sae2-proteinet skærer 5'-enderne af strengen nær bruddet, så 3'-enderne stikker ud. Det andet trin af 5' → 3'-skæring fortsættes af helikasen Sgs1 og nukleaserne Exo1 og Dna2 . Sgs1 "pakker" den dobbelte helix op, mens Exo1 og Dna2 skaber brud i det enkeltstrengede DNA frigivet af Sgs1 [13] .

Replikativt protein A (RPA), som har en høj affinitet for enkeltstrenget DNA, binder de fremspringende 3'-ender [14] og ved hjælp af en række andre proteiner, der medierer processen, såsom Rad51 (og Dmc1 i meiose), danner kompleks med enkeltstrenget DNA, der dækker det. Nukleoproteinstrengen søger derefter efter en lignende eller identisk DNA-streng og indsætter sig selv i den, når den finder den. I celler, der deler sig ved mitose, er "offeret" for introduktionen (recipient-DNA-duplex) sædvanligvis et søsterkromatid, der er identisk med det beskadigede DNA, som oftest bruges som skabelon til reparation. Ved meiose er recipient-DNA-dupleksen imidlertid et homologt kromosom, som er meget lig, men ikke nødvendigvis identisk med, det beskadigede kromosom [12] .

Under strenginvasion dannes en D-loop mellem den udragende 3'-ende af den invaderende streng og det homologe kromosom . DNA-polymerasen forlænger derefter 3'-enderne. Den resulterende krydsstruktur kaldes Holliday-strukturen . Efter dette sker der DNA- syntese på den indsatte streng (det vil sige på en af ​​de udragende 3'-ender) , hvilket effektivt genopretter den komplementær til det homologe kromosom på det sted, hvorfra D-løkken blev fortrængt [12] .

DSBR-vejen er unik ved, at den anden overhængende 3'-ende (som ikke deltog i insertion) også danner en Holliday-struktur med en homolog kromosomkæde. Yderligere bliver Holliday-dobbeltstrukturen et rekombinationsprodukt under påvirkning af nicking-endonukleaser  - restriktaser , der kun bryder en DNA-streng [15] [16] . Hvorvidt DSBR'en vil krydse eller ej bestemmes af, hvordan Holliday-strukturen skæres eller "løses". Overkrydsning kan forekomme, hvis den ene Holliday-struktur skæres langs de krydsende tråde, og den anden ikke er det. Et produkt, der ikke har gennemgået crossover, opnås kun, hvis begge strukturer opløses langs krydsende tråde [17] .

Mitotisk krydsning over

Selvom overkrydsning i langt de fleste tilfælde er forbundet med meiose, er der også beskrevet mitotisk overkrydsning, som kan forekomme i somatiske celler under mitotiske delinger i både kønsbestemte organismer og aseksuelle organismer (f.eks. nogle encellede svampe , hvor seksuel proces er ikke kendt ). I tilfælde af aseksuelle organismer er mitotisk rekombination den eneste nøgle til at forstå genbinding , da dette i sådanne organismer er den eneste måde til genetisk rekombination [18] . Derudover kan mitotisk rekombination føre til mosaikekspression af recessive alleler i et heterozygot individ. En sådan ekspression er vigtig i onkogenese , den tillader også undersøgelse af dødelige recessive mutationer [18] [19] .

Overkrydsning og genkortlægning

Morgans elev Alfred Sturtevant var den første, der foreslog at bruge information om hyppigheden af ​​krydsninger mellem bestemte loci til at bestemme afstanden mellem dem på kromosomet og den relative placeringsrækkefølge, det vil sige til at kortlægge gener. I 1913 krydsede han fluer homozygote for den gule (gule krop), hvide (hvide øjne) og miniature (små, underudviklede vinger ) mutationer lokaliseret på X-kromosomet . Hyppigheden af ​​rekombination mellem de hvide og miniature loci , samt gule og miniature loci, var omtrent den samme (henholdsvis 34,5 % og 35,4 %), men mellem de gule og hvide gener forekom rekombination med en frekvens på kun 0,5 % . Sturtevant foreslog, at jo tættere lociene er fysisk placeret på kromosomet, jo sjældnere rekombinerer de, så disse gener er højst sandsynligt i rækkefølgen gul  - hvid  - miniature på kromosomet . Baseret på rekombinationsfrekvenserne byggede Sturtevant et genetisk kort over Drosophila X-kromosomet, og en konventionel kortenhed svarer til 1 % af rekombinationen. Den genetiske kortenhed blev navngivet centimorgan (cM) til ære for Morgan. Yderligere forskning viste, at krydsning ikke kun er karakteristisk for X-kromosomet, men også for autosomer . Mærkeligt nok, i Drosophila, i modsætning til de fleste andre dyr , sker krydsning ikke hos hanner [20] .

Mere end én krydsning forekommer ofte mellem ikke-søsterkromatider, for eksempel er den såkaldte dobbeltkrydsning udbredt. Eksistensen af ​​multipel overkrydsning krænker den nøjagtige additivitet af rekombinationsfrekvensen mellem gener: af de tre lineært placerede gener er rekombinationsfrekvensen mellem de ekstreme gener faktisk noget lavere end summen af ​​rekombinationsfrekvenserne mellem det første og andet gen og mellem den anden og tredje [21] . Efterhånden som afstanden mellem to gener øges, bliver kromosomkortet mindre nøjagtigt, fordi de utallige tilfælde af krydsning mellem de loci, der deler disse gener, forsvinder. På grund af flere krydsninger er hyppigheden af ​​rekombinationer undervurderet, og den eksperimentelt bestemte intergene afstand er mindre end den virkelige [22] .

Men krydsning mellem to gener hindrer i nogle tilfælde udvekslingen mellem tilstødende regioner. Dette fænomen kaldes interferens, og for at vurdere dets sværhedsgrad anvendes den såkaldte koefficientkoefficient C, som er lig med forholdet mellem antallet af observerede dobbeltkrydsninger og antallet af teoretisk forventede; størrelsen af ​​interferensen er karakteriseret ved værdien af ​​I, lig med 1 - C. I tilfælde af negativ interferens , når I > 0, er frekvensen af ​​dobbelt krydsning større end forventet; et sådant fænomen er blevet beskrevet, især i majs. Imidlertid er positiv interferens meget mere almindelig, hvor I < 0 og krydsning mellem to loci undertrykker krydsning mellem tilstødende steder. Som regel gælder det, at jo tættere generne er, jo større er den positive interferens [23] .

Baseret på analysen af ​​rekombinationsfrekvenser var det muligt at kompilere genetiske kort over nogle organismer, men i nogle tilfælde, for eksempel i tilfælde af mennesker , er en sådan procedure meget vanskelig. Med udviklingen af ​​DNA- sekventeringsmetoder er det blevet muligt at kortlægge menneskelige gener, og hertil bruges såkaldte DNA-markører  - korte DNA-fragmenter med kendt sekvens og lokalisering på kromosomer, som er praktiske pejlemærker til opbygning af kromosomkort. Restriktionsfragmentlængdepolymorfier og mikrosatellitter var blandt de første DNA-markører ; senere begyndte enkeltnukleotidpolymorfismer at blive brugt som markører [24] .

Faktorer, der påvirker krydsning

Flere miljøfaktorer påvirker hyppigheden af ​​meiotisk og mitotisk krydsning. Forskellige typer stråling ( UV - røntgen og γ-stråling ) øger i de fleste tilfælde frekvensen af ​​krydsninger, da de forårsager enkelt - og dobbeltstrenget brud i DNA. Stråling kan kun påvirke rekombination i nogle dele af kromosomerne; Således, i Drosophila, under påvirkning af stråling i de pericentromere regioner, øges hyppigheden af ​​krydsning, mens den i dem, der er fjernt fra centromeren, falder. Hyppigheden af ​​overkrydsning øges af mange stoffer, der forstyrrer strukturen af ​​DNA og forhindrer normal replikation, såsom nitrosoforbindelser , såvel som midler, der alkylerer og deaminerer nitrogenholdige baser . Temperaturen kan også påvirke rekombinationsfrekvensen [25] .

Hyppigheden af ​​krydsning er relateret til kroppens fysiologiske tilstand. Jo ældre kvindelige Drosophila er, jo sjældnere krydser de over. Udsultningen af ​​larver øger hyppigheden af ​​krydsninger, mens manglen på vand tværtimod sænker den. Der er også genetisk kontrol over hyppigheden af ​​krydsninger. For eksempel, som nævnt ovenfor, er krydsning fraværende hos mandlige frugtfluer såvel som hos hunlige silkeorme . Generelt forekommer krydsning som regel sjældnere i det heterogametiske køn . Hyppigheden af ​​overkrydsning påvirkes af visse kromosomale omlejringer og visse mutationer [26] .

Noter

  1. ↑ Nobelprisen i fysiologi eller medicin  1933 . Nobel Media AB 2013. Hentet 11. december 2013. Arkiveret fra originalen 21. august 2007.
  2. ↑ 1 2 Klug et al., 2016 , s. 227.
  3. ↑ Inge-Vechtomov, 2010 , s. 182.
  4. ↑ Inge-Vechtomov, 2010 , s. 183.
  5. ↑ Inge-Vechtomov, 2010 , s. 183-184.
  6. ↑ Inge-Vechtomov, 2010 , s. 186-188.
  7. ↑ Krebs, Goldstein, Kilpatrick, 2017 , s. 351-352.
  8. ↑ Keeney S. , Giroux CN , Kleckner N. Meiose-specifikke DNA-dobbeltstrengsbrud katalyseres af Spo11, et medlem af en bredt konserveret proteinfamilie.  (engelsk)  // Cell. - 1997. - Vol. 88, nr. 3 . - S. 375-384. — PMID 9039264 .
  9. ↑ Longhese MP , Bonetti D. , Guerini I. , Manfrini N. , Clerici M. DNA-dobbeltstrengsbrud i meiose: kontrol af deres dannelse, bearbejdning og reparation.  (engelsk)  // DNA reparation. - 2009. - Bd. 8, nr. 9 . - S. 1127-1138. - doi : 10.1016/j.dnarep.2009.04.005 . — PMID 19464965 .
  10. ↑ Cahill LP , Mariana JC , Mauléon P. Samlede follikelpopulationer hos moderfår med høj og lav ægløsningshastighed.  (engelsk)  // Journal of reproduction and fertility. - 1979. - Bd. 55, nr. 1 . - S. 27-36. — PMID 423159 .
  11. ↑ Krebs, Goldstein, Kilpatrick, 2017 , s. 352-353.
  12. ↑ 1 2 3 Sung P. , Klein H. Mechanism of homologous recombination: mediatorer og helicaser påtager sig regulatoriske funktioner.  (engelsk)  // Naturanmeldelser. Molekylær cellebiologi. - 2006. - Bd. 7, nr. 10 . - S. 739-750. - doi : 10.1038/nrm2008 . — PMID 16926856 .
  13. ↑ Mimitou EP , Symington LS Nukleaser og helikaser er i centrum i homolog rekombination.  (engelsk)  // Tendenser i biokemiske videnskaber. - 2009. - Bd. 34, nr. 5 . - S. 264-272. - doi : 10.1016/j.tibs.2009.01.010 . — PMID 19375328 .
  14. ↑ Wold MS -replikationsprotein A: et heterotrimert, enkeltstrenget DNA-bindende protein, der kræves til eukaryotisk DNA-metabolisme.  (engelsk)  // Årlig gennemgang af biokemi. - 1997. - Vol. 66. - S. 61-92. - doi : 10.1146/annurev.biochem.66.1.61 . — PMID 9242902 .
  15. ↑ Nelson DL, Cox MM. Principper for biokemi  (neopr.) . — 4. - Freeman, 2005. - S. 980-981. - ISBN 978-0-7167-4339-2 .
  16. ↑ Marcon E. , Moens PB Udviklingen af ​​meiose: rekruttering og modifikation af somatiske DNA-reparationsproteiner.  (engelsk)  // BioEssays: nyheder og anmeldelser inden for molekylær-, cellulær- og udviklingsbiologi. - 2005. - Bd. 27, nr. 8 . - s. 795-808. doi : 10.1002 / bies.20264 . — PMID 16015600 .
  17. ↑ Alberts et al., 2013 , s. 466-484.
  18. ↑ 1 2 Hartel, Daniel L. og Maryellen Ruvolo. Genetik : Analyse af genetik og genomer  . — Burlington: Jones & Bartlett, 2012.
  19. ↑ Tischfield JA Tab af heterozygositet eller: hvordan jeg lærte at stoppe med at bekymre mig og elske mitotisk rekombination.  (engelsk)  // American Journal Of Human Genetics. - 1997. - November ( bind 61 , nr. 5 ). - S. 995-999 . - doi : 10.1086/301617 . — PMID 9345110 .
  20. ↑ Klug et al., 2016 , s. 228-229.
  21. ↑ Klug et al., 2016 , s. 231-232.
  22. ↑ Klug et al., 2016 , s. 240.
  23. ↑ Klug et al., 2016 , s. 240-242.
  24. ↑ Klug et al., 2016 , s. 242.
  25. ↑ Inge-Vechtomov, 2010 , s. 204.
  26. ↑ Inge-Vechtomov, 2010 , s. 205-206.

Litteratur

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier
I bibliografiske kataloger