Генетическая рекомбинация

Материал из ТворенияВики
Перейти к: навигация, поиск
Мейоз - конденсация хромосом и их объединение в пары при делении клеток, ведущее к рекомбинации

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[1] 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.[2]

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.[3] 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.[3] 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.[3]

Предположения сторонников эволюционизма

Гены расположены вдоль хромосомы. Назначением рекомбинации в ходе мейоза считают оставление имеющихся генов неизменными за счёт реакций в нейтральных областях между рамками считывания.
Рекомбинация генов способна вести к получению новых аллелей, но считается, что клетка не осуществляет этого целенаправленно, а любые изменения последовательности генов - мутации вследствие ошибок при рекомбинации или репликации

Теория эволюции ведёт к предположению, будто рекомбинация изначально возникла по ошибке, а не в результате разумного замысла. При половом размножении гаметы (яйцеклетки, сперматозоиды) являются результатом процесса деления клеток, называемого мейозом. До начала мейотического деления гомологические хромосомы объединяются на оси клетки перед расхождением на противоположные полюса. Считается, что это гомологическое объединение в пары изначально производилось лишь для обеспечения деления генетической информации поровну. Но в ходе этого процесса случайно произошло деление ДНК, что обеспечило изменичовость, это дало преимущество в стественном отборе, в связи с чем и стало обычным явлением при формировании гамет. Заранее предполагается, что рекомбинация происходит случайным образом, и фенотипы, получаемые при этом - также случайны.[1] ДНК, используемая в мейотической рекомбинации, обладает гомологией, то есть, последовательностями, очень похожими друг на друга, а также кодами для различных вариантов одной и той же характеристики. Перед тем, как хромосомная ДНК распределяется в новых, дочерних клетках, гомологи объединяются в пары и сраживаются вместе в нескольких точках. В ходе этих взаимодействий часто происходит обмен множеством генов и целых областей. Эти генетические перекресты, также называемые кроссинговерами, обычно используются для определения относительного положения генов в хромосомах, и таким образом получается генетическая карта. Но, вопреки эволюционным предрассудкам, назначение этих преобразований изначально заложено Создателем. Потомки всегда уникальны с генетической точки зрения благодаря рекомбинации, но пока мы выявили лишь наиболее легко обнаруживаемые результаты этого процесса, а желаемые - остаются в основном теоретическими. Но уже ясно, что рекомбинация является весьма производительным источником новых аллелей.[1] Наши знания о рекомбинации в основном получены в ходе исследований бактерий E. coli, а её результаты при половом размножении - в основном в ходе исследований низших эукариотов, например, хлебопекарных дрожжей, а также мух-дрозофил. Недавние опыты на мышах обеспечили нас дополнительными данными в отношении млевопитающих, и показали заметное различие между процессами рекомбинации у одноклеточных и многоклеточных организмов. Но, как и в случае с другими механизмами "домашнего хозяйства" клетки ("гены домашнего хозяйства" - "housekeeping genes" - общепринятый биологический термин - прим. перев.), основные принципы и многие гены, задействованные в гомологической рекомбинации (HR), сохраняются одинаковыми во в множестве форм жизни, встречающихся на планете[4]. Теперь ясно, что всё происходящее с генами в ходе рекомбинации является частью хорошо согласованного процесса, включающего в себя целый каскад определённых макромолекулярных взаимодействий[5], и управляется высокооргнизоанными регулирующими системами[6]. В частности, индуцирование рекомбинации в ходе мейоза находится в зависимости от нескольких генов и регулируется сложной сетью клеточных сигнальных механизмов.[7].

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".[8]. 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 107, а при мейозе наблюдаются значения порядка 1.9 x 103. 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[9]. 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.).[10]. 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[7] 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[11] 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[12] 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[13]. 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[14]. 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[15]. 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[16]. Да и разнообразие они часть проявляют большее, чем нейтральные области между рамками считывания.[17]. Аналогичным образом стало известно, что изменчивые гены сохраняют кодоны в определённых местах в пределах изменяющейся области[18]. Преобладание несинонимичных замещений над синонимичными дополнительно подтверждает неслучайность[19]. 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

  1. 1,0 1,1 1,2 .Генетическая изменчивость заложена изначально - Крис Эшкрафт, Journal of Creation № 18(2), 2004 год.
  2. Сарфати, Джонатан.. Опровергаем эволюцию - 2 Глава 5. Некоторые мутации якобы идут на пользу. Greenforest AR: Master Books, 2002 год. (p104)
  3. 3,0 3,1 3,2 Что такое клетка? - Национальный центр биотехнологической информации.
  4. Регуляция хода мейотической рекомбинации и профазы I у млекопитающих Коэн П.Э., Поллард Дж.В. Журнал "BioEssays", № 23, с. 996 - 1009 (2001 год)
  5. Каскады нековалентных взаимодействий белков с белками и белков с ДНК при гомологической рекомбинации ДНК - Такехико Шибата. Журнал "RIKEN Review", № 46, с. 24 - 28 (2002 год)
  6. Иерархическая регуляция рекомбинации - Кунихиро Охта. Журнал "RIKEN Review", № 41, с. 28 - 29 (2001 год)
  7. 7,0 7,1 Гомологическая генетическая рекомбинация как динамическое свойство, присущее структуре ДНК, при индуцировании белками семейства RecA/Rad51: возможное преимущество ДНК перед РНК как геномного материала Шибата, Т., Нишинака, д др. "Труды Национальной академии наук США", № 98 (15), с. 8425 - 8432 (2001год)
  8. "Горячие точки" мейотической рекомбинации. Лихтен М., Голдман А.С.Х. Ежегодник обзоров по генетике, № 29, с. 423 - 444 (1995)
  9. Подсчитываем кроссинговеры - характеризуем мейотическую рекомбинацию у млекопитающих - Терри Хассолд. Молекулярная генетика человека, № 9(16), с. 2409 - 2419 (2000 год)
  10. Генетическое управление мейотической рекомбинацией у млекопитающих. I. Вариации частоты обмена в группе особей мужского пола, полученных в результате инбридинга. Кёлер К.Е., Черри Дж.П., Линн А., Хант П.А., Хассолд Т.Дж. Журнал "Genetics", № 162(1), с. 297 - 306 (2002 год)
  11. Гомологическая рекомбинация как механизм перегруппировки генома: влияние на гены и среду. Александр Бишоп. Молекулярная генетика человека. № 9(16), с. 2427 - 2434 (2000 год)
  12. Клеточный компартмент для B-клеток у кур. Велл Дж.К., Рейно К.А., журнал "Science", № 238 (4830), с. 1094-1098 (1987 год).
  13. Функции гомологической рекомбинации ДНК. Такехико Шибата. Журнал "RIKEN Review", № 41, с. 21 - 23 (2001 год)
  14. Аллозимы - свидетельство систематики и полиморфизма в популяциях канадских, индийских, сибирских и американских журавлей. Дессауэр, Х.К., Г.Ф. Ги, Дж.С. Роджерс. Молекулярная филогенетика и эволюция. №1, с. 279 - 288 (1992 год)
  15. Возникновение разнообразия иммуноглобулина за счёт внутрихромосомной генной конверсии. Томпсон, К.Б. Тенденции в генетике, № 8, с. 416 - 422 (1992 год)
  16. Планирование соматической гипермутации. Джолли К.Дж. и др. Семинары по иммунологии, № 8, 159 - 168 (1996 г.)
  17. Генная конверсия вызывает гиперизменчивость в различных областях калликреинов и их ингибиторов. Охта, Т. И К.Дж. Бастен. молекулярная филогенетика и эволюция, № 1, с. 87 - 90 (1992 год)
  18. Консервация кодонов с привязкой к их положениям у гиперизменчивых семейств генов. Контичелло С.Г., В. Пилпель, Г. Глусман, М. Файнзильбер. Тенденции в генетике, № 16, с. 57­ - 59 (2000 год)
  19. Механизмы эволюционирующей гиперизменчивости: случай с конопептидами. Контичелло С.Г., Гилад Й., Авидан Н., Бен-Ашер Е., Леви З., Файнзильбер М. Молекулярно-биологическая эволюция, № 18, с. 120 - 131 (2001 год)