Молекулярные механизмы рекомбинации и мигрирующие генетические элементы

специальности «Микробиология» по дисциплине «Генетика микроорганизмов»

рекомбинация

Мобильные генетические элементы микроорганизмов. Инсерционные последовательности (Is) и транспозоны (Tn)

бактерий.
Мигрирующие элементы и естественный отбор. Горизонтальный перенос генов и его роль в эволюции бактерий.
Классификация и структура.
Молекулярные механизмы транспозиции. Репликативная и нерепликативная транспозиция.

предшествующих молекул.

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 или незаконная

Случайная или негомологичная

Типы рекомбинации

Рекомбинация

модель кроссинговера.

Модель Холлидея
Гомологичная рекомбинация (1903/1919)

двумя внутренними хроматидами. Продукты кроссинговера - две рекомбинантные и две

нерекомбинантные хроматиды.
Б) Кроссинговер в соматической клетке на стадии G1 клеточного цикла (клетки прошли через митотическое деление, но у них не произошла репликация хромосом).
В) Кроссинговер в клетке Escherichia coli. Одна из клеток (реципиент), имеющая кольцевую хромосому (красная), получила от клетки-донора линейный фрагмент двуцепочечной ДНК (синий).
В‘) Единичный кроссинговер только на одном конце фрагмента привел бы к гибельному для реципиентной клетки разрыву хромосомы

Синий и красный цвет – гомологичные молекулы,
вертикальные линии- центромеры.
Кроссинговер обозначен знаком "X".

Общая схема гомологичной рекомбинации

Гомологичная рекомбинация (1903/1919)

перетасовываются уже имевшиеся сходные варианты одной и той же последовательности
Гомологичная

рекомбинация

Гомологичная рекомбинация

Гомологичная рекомбинация (1903/1919)

генами recB, recC и recD.
RecBCD может гидролизовать одно- и двуцепочечную

ДНК, имеет также хеликазную активность, то есть расплетает дуплекс ДНК.
Фермент работает как сайт-специфическая эндонуклеаза: расщепляет одноцепочечную ДНК около особой 8-нуклеотидной последовательности, называемой Chi-сайтом.
Расплетает дуплекс, образуя одноцепочечную ДНК (D-петля)
Продвигается вдоль ДНК до Сhi-сайта
Разрывает 3’-цепь
RecА формирует филамент, D-петлю, полухиазмы. 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
SSB-белок выпрямляет одноцепочечную ДНК

Ферменты рекомбинации

RecВСD-нуклеаза

кД) и проявляет разнообразные активности.
Требуются в качестве кофакторов АТФ и

одноцепочечная ДНК в любой форме.
Наличие двух сайтов связывания с ДНК.
Первый сайт используется для первичного связывания с ДНК: в присутствии АТФ белок всегда взаимодействует в этом сайте с одноцепочечной ДНК. Реакции, составляющие следующую, синаптическую стадию кроссинговера, происходят только внутри филаментов, которые могут вступать в рекомбинацию только с "голой", не находящейся в филаменте ДНК.
Взаимодействие филамента с голой ДНК осуществляется за счет второго сайта связывания RecA, контакт слабый. Эти контакты становятся прочными только после встречи гомологичных последовательностей.

Ферменты рекомбинации

RecA-белок

ДНК, нахождение гомологичных последовательностей, образование D-петли
Удаление гетеродуплекса путём миграции ветвления
Ферменты

рекомбинации

Стадии рекомбинации

разным родительским цепям ДНК
Образуются гетеродуплексные районы






Изображения полухиазм получены в

электронном микроскопе

Структуры Холлидея

Структура Холлидея или полухиазма

RuvA, RuvB и RuvC - продукты генов ruvA, ruvB и

ruvC.
RuvA узнает крестообразную полухиазму и нацеливает на нее RuvB.
Последний 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.

Разрезание полухиазмы

Миграция и разрезание полухиазмы

ветви

1983 году Дж. Жостаком и др. для репарации двуцепочечных повреждений

ДНК у дрожжей.

участков.
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.

Сайт-специфическая рекомбинация

Сайт-специфическая рекомбинация

(attP-сайт) и уникальной последовательности ДНК Е. coli (аttВ-сайт). Нуклеотидные последовательности

attP- и attВ-сайтов совершенно различны, хотя имеют общее ядро (О) протяженностью в 15 нуклеотидных пар.
AttP (POP') простирается на 150 нуклеотидов влево (Р) и на 75 нуклеотидов вправо (Р') от общего ядра, a attB (BOB') – это сегмент длиной всего около 25 нуклеотидов, включая и ядро. Поскольку нуклеотидные последовательности, фланкирующие attP- и attВ-сайты слева (attL) и справа (attR), для этих сайтов различаются, механизм рекомбинационного выщепления ДНК фага λ из ДНК Е. coli должен отличаться от механизма их рекомбинационной интеграции.
Для рекомбинации между attL и attR при исключении фаговой ДНК помимо белка Int необходимы фаговый белок xis и клеточный белок HF. Процесс рекомбинационного выщепления, по-видимому, имеет некоторое сходство с процессом интеграции, но роль указанных трех белков, особенно белка xis, все еще изучается.

Сайт-специфическая рекомбинация

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.

Незаконная рекомбинация (1982)

Незаконная рекомбинация

Мак-Клинток у кукурузы. Эти гены, индентифицированные по их способности подавлять

экспрессию других генов кукурузы, находящихся рядом с ними, не имели фиксированного положения в хромосоме. Они как бы передвигались по всему геному растения. Регуляторные элементы могли встраиваться и выщепляться, причем после их выщепления зачастую начинали функционировать ранее молчащие гены.
Оказалось, что гены, ассоциированные с регуляторными элементами, становились нестабильными и часто мутировали из-за нестабильности самих этих элементов. В течение многих лет кукуруза оставалась единственной системой, в которой обнаруживались такие подвижные генетические элементы. Сейчас - и у бактерий, дрозофил и других организмов.

Инсерционные последовательности были открыты в начале 1970-х гг. П. Старлинжером, Г. Седлером и Дж. Шапиро при изучении мутаций необычного типа у E.coli.

Открытие транспозонов и инсерционных вставок

К ним относятся инсерционные последовательности и транспозоны.
Бактериальные транспозоны обозначаются

буквами Tn, инсерционные вставки - Is, за которыми следует номер типа.

Они могут инактивировать гены, в которые включились («выключение» гена) или, встраиваясь в хромосому, проявлять эффект промотора, включающего или выключающего транскрипцию соответствующих генов; повышают частоту делеций и инверсий, приводят к транслокациям и образованию коинтегратов.

Некоторые бактериофаги фактически являются транспозонами или транспозиционными бактериофагами (transposing bacteriophages). Например, бактериофаг Mu является очень большим транспозоном (38000 н.п.), который кодирует не только ферменты, ответственные за транспозицию, но также и большое число структурных белков, необходимых для упаковки его ДНК.

Мобильные генетические элементы

ДНК, способные перемещаться из одного места локализации в другое, и

содержат только гены, необходимые для перемещения. Имеют длину около 1-2 тысяч пар нуклеотидов.

Инсерционные последовательности

вставочных последовательностей и структурных генов, обеспечивающих синтез молекул со специфическими

биологическими свойствами (токсичность, устойчивость к антибиотикам и др.) длиной от 3 до 20 т. н. п.. Транспозоны не способны к самостоятельной репликации и размножаются только в составе бактериальной хромосомы.

Транспозоны

нуклеотидов в середине транспозона. Он специфически взаимодействует с концевыми инвертированными

повторами мобильного элемента и может вырезать его из хромосомы.
Вырезание может происходить точно – с восстановлением исходной структуры участка ДНК, и неточно, то есть с делециями и вставками от одного до нескольких нуклеотидов.

Перемещение транспозонов

образованием коинтеграта при участии транспозазы,
репликация и рекомбинация,
диссоциация коинтеграта под действием

резолвазы.

Перемещение транспозонов

концов (образуются одноцепочные фланкирующие последовательности, с этим связана дупликация сайта-мишени

размером 3-12 нуклеотидов).

Перемещение транспозонов

места на другое, то они могут быть весьма эффективными векторами

для передачи рекомбинантной ДНК. Генетическая трансформация с помощью векторов на основе транспозонов была впервые осуществлена на дрозофиле.

Поведение транспозонов можно расценить как паразитическое. Большинство их перемещается изредка, но, так как их в клетке довольно много, транспозиция оказывает значительное влияние на разнообразие видов.
Биологический смысл перемещения отдельных сегментов ДНК:
- прерывание соответствующего гена, что ведет к эволюции;
- регуляция деятельности генов.

Биологический смысл