Механизмы рекомбинации презентация

Механизмы рекомбинации Лекция №6 Лектор: Давыдова Ольга Константиновна, к.б.н., доцент

План лекции:

Типы рекомбинации Рекомбинация – возникновение новых последовательностей ДНК за счёт разрывов и перевоссоединения предшествующих молекул Рекомбинация также создает разнообразие комбинаций генов, обеспечивающих высокий уровень наследственной изменчивости, что, в свою очередь, позволяет популяции лучше адаптироваться в ходе эволюции может происходить у эукариот, у бактерий и даже при размножении вирусов, в том числе таких, генетический материал которых состоит из РНК Общая или гомологичная Сайт-специфическая Случайная или незаконная

Гомологичная рекомбинация (1903/1919) - обмен участками между гомологичными молекулами ДНК Новых последовательностей не создаётся, а перетасовываются уже имевшиеся сходные варианты одной и той же последовательности при участии большого набора специальных белков Возникновение в одном или обоих дуплексах участков из одиночных цепей ДНК, которые затем с помощью специальных белков находят комплементарные последовательности в гомологичном дуплексе; Образование гетеродуплекса- ключевого промежуточного продукта (интермедиата) рекомбинации; Обмен равными частями гомологичных молекул

Структура Холлидея Структу́ра Холлиде́я  — структура из четырёх цепей нуклеиновых кислот, соединённых друг с другом водородными связями с образованием четырёх двуцепочечных ветвей Эти ветви могут принимать несколько различных конформаций в зависимости от концентрации солей в окружающем буферном растворе и последовательности нуклеотидов, располагающихся в непосредственной близости от точки соединения Структура названа в честь английского молекулярного биолога Робина Холлидея, который предположил её существование в 1964 году

Структура Холлидея Робин Холлидей (1932—2014) предположил структуру соединения, как часть своей модели гомологичной рекомбинации, разработанной на его исследованиях Saccharomyces cerevisiae. Холлидей понял, что в ходе кроссинговера должны образовываться гетеродуплексы ДНК с некоторыми неспаренными основаниями ввиду небольших различий между вариантами (аллелями) одного гена. В 1975 году Метью Мезельсон и Чарли Рэддинг обновили модель и ввели идею миграции цепей. Первое экспериментальное доказательство существования соединений Холлидея было получено в конце 1970-х годов при помощи электронной микроскопии, где на изображениях ДНК плазмид и бактериофагов были отчётливо видны структуры из четырёх цепей. В 1980-е годы были идентифицированы ферменты, отвечающие за инициацию образования соединений Холлидея и связывание с ними. В 1983 году Надриан Симэн впервые получил искусственные структуры Холлидея из синтетических олигонуклеотидов.

Структура Холлидея или полухиазма - промежуточное соединение, где происходит комплементарное спаривание между одноцепочечными участками, принадлежащими разным родительским цепям ДНК. Образуются гетеродуплексные районы. Полухиазма может перемещаться вдоль цепи ДНК. Изображения полухиазм получены в электронном микроскопе

Ферменты рекомбинации RecBCD-нуклеаза, состоящая из 3 субъединиц (RecB, RecC и RecD), связывается с концом двухцепочечной ДНК и «расстёгивает» ее RecBCD может гидролизовать одно- и двуцепочечную ДНК, имеет также хеликазную активность: RecD — быстрая хеликаза, сидящая на 5’-цепи, а хеликаза RecB медленнее и сидит на 3'-цепи Продвигается вдоль ДНК до Сhi-сайта - особой 8-нуклеотидной последовательности (5'-GCTGGTGG-3'), разрывает 3’-цепь Образуется одноцепочечная ДНК (D-петля) RecА формирует филамент, SSB-белок выпрямляет одноцепочечную ДНК D-петля разрезается с помощью одной из эндонуклеаз E. coli, что приводит к полухиазме Холлидея RecBCD удаляет 5’-конец ДНК-полимераза и ДНК-лигаза застраивают бреши и разрывы.

Стадии рекомбинации RecA-белок связывается с одноцепочечной ДНК, образуя RecA-ДНК-филамент. Приводит во взаимодействие одноцепочечную ДНК с гомологичными дуплексами. Наличие двух сайтов связывания с ДНК. Удаление гетеродуплекса путём миграции ветвления

Стадии рекомбинации Последующие этапы - миграцию ветвления и разрешение полухиазмы осуществляют белки: RuvA, RuvB и RuvC - продукты генов ruvA, ruvB и ruvC. RuvA узнает крестообразную полухиазму и нацеливает на нее RuvB. RuvB узнает комплекс RuvA-полухиазма и, используя энергию АТФ и работая как ДНК-хеликаза, осуществляет миграцию полухиазмы в том же направлении, что и RecA-белок in vitro. Резолваза RuvC узнает комплекс RuvB-полухиазма, связывается с ним. На этом миграция полухиазмы прекращается.

Стадии рекомбинации

Сайт-специфическая рекомбинация бактериофага λ Происходит между специфическими сегментами дуплексов ДНК, не имеющими протяженных гомологичных участков. Фермент распознает специфические последовательности ДНК, чья рекомбинация катализируется. Эти интегразы не формируют сочленения гетеродуплекса. Вместо этого они образуют надрезы с обоих концов линейной последовательности и затем катализируют взаимодействие этих концов ДНК с ДНК – мишенью, разрывая в ней фосфодиэфирные связи. Характерным примером такой рекомбинации служит встраивание кольцевой ДНК фага λ в хромосому Е. coli и ее обратное выщепление. При интегрирование ДНК фага лямбда в хромосому E.coli в случае лизогенного пути развития фага происходит образование сложно структурированного нуклеопротеинного комплекса, т.н.интасомы.

Незаконная рекомбинация - рекомбинация между негомологичными нуклеотидными последовательностями происходит в клетках прокариот и дрожжей достаточно редко, а в клетках млекопитающих – весьма часто. К негомологичной рекомбинации можно отнести процесс случайного встраивания вирусной или плазмидной ДНК в ДНК клеток животных, в результате чего в реплицирующихся геномах появляется множество делеций и дупликаций.

Заключение Микроорганизмам свойственны генетические рекомбинации, которые определяются прежде всего способом размножения и закономерностями передачи генетического материала. В связи с тем, что прокариотам не присуще половое размножение, рекомбинация у них происходит в результате внутригеномных перестроек, заключающихся в изменении локализации генов в пределах хромосомы, или при проникновении в клетку реципиента части ДНК донора Таким образом, генетическая рекомбинация – это перераспределение материала между молекулами или внутри молекулы ДНК, приводящее к появлению новых комбинаций генов или других нуклеотидных последовательностей Неподвижные структуры Холлидея с несимметричными последовательностями, которые фиксируют структуру в строго определённом положении, были созданы искусственно с целью изучения их структуры. Позднее такие структуры нашли применение в качестве основных строительных структурных блоков в ДНК-нанотехнологиях: несколько структур Холлидея могут быть собраны в единую конструкцию с определённой геометрией