Генетическая рекомбинация и ее биологическое значение Курсовая работа (проект)

Существует множество формулировок понятия «рекомбинация».

Генетическая рекомбинация – это перераспределение генетического материала (ДНК), приводящее к возникновению новых комбинаций генов [1, с.13].

Нормальный биологический обмен между генами или объединение генов из разных источников с образованием измененной хромосомы, способной после это-го реплицироваться, транскрибироваться и транслироваться, называется генетиче¬ской рекомбинацией [8, с.974].

Интерес  вызывает рекомбинация, заключающаяся в обменах частями между молекулами ДНК, ведь здесь можно применять весь арсенал методов генетики и молекулярной биологии.  Понятие “рекомбинация” включает большой набор разных по своей природе явлений. При этом для всех рекомбинационных процессов общим является этап, на котором молекулы ДНК вступают в контакт в участке, где произойдет обмен полинуклеотидными цепями. Этот этап получил название “синапсис”. Однако механизм синапсиса при разных типах рекомбинации различен. Более того, он является одним из критериев при классификации рекомбинационных явлений. Рекомбинация является тем процессом, который обеспечивает выживаемость видов в изменяющихся условиях окружающей среды.

Рекомбинация происходит в профазе 1-го деления мейоза, когда две сестринские хроматиды так тесно сближены друг с другом, что их невозможно увидеть в отдельности [2, c.80].

Рекомбинация может происходить путем обмена клеточными ядрами, целыми молекулами ДНК или частями молекул. Рекомбинация приводит к генетической изменчивости. Биологическое значение рекомбинации столь велико, что она получила развитие у всех живых организмов. Она может происходить у эукариот (как при гаметогенезе и в соматических клетках), у бактерий и при размножении вирусов, генетический материал которых состоит из РНК. Перетасовка хромосом в мейозе, приводящая к огромному разнообразию гамет, случайность слияния гамет при оплодотворении, обмен частями между гомологичными хромосомами – все это примеры рекомбинации. 

Дадим классификацию основных типов рекомбинации. Все, что относится к гомологии ДНК и комплементарности полинуклеотидных цепей, относится к гомологичной, или общей, рекомбинации (кроссинговеру), основанной на спаривании комплементарных цепей ДНК. От других типов рекомбинационных процессов она отличается необходимостью в общей (по всей длине молекул) гомологии между рекомбинирующими ДНК и участием большого набора специальных белков. Гомологичная рекомбинация начинается с возникновения в одном или обоих дуплексах участков из одиночных цепей ДНК, которые затем с помощью специальных белков находят комплементарные последовательности в гомологичном дуплексе и образуют с ними гетеродуплекс – ключевой промежуточный продукт (интермедиат) рекомбинации. Конечным результатом рекомбинации будет обмен равными частями гомологичных молекул.

Из общей рекомбинации можно выделить как частный случай так называемую эктопическую рекомбинацию. Она заключается в обменах (кроссинговерах) между отдельными участками гомологичной ДНК, разбросанными по геному. К ним относятся разнообразные подвижные элементы, названные так за способность перемещаться по геному, гены транспортных и рибосомных РНК, гистонов и многие другие повторяющиеся последовательности (повторы) ДНК. Такая локальная гомологичная рекомбинация интересна прежде всего тем, что она может приводить к хромосомным перестройкам, хотя ее биологическая роль этим не исчерпывается.

Инверсии (повороты внутренних участков хромосом на 180), утраты (делеции) и удвоения (дупликации) частей хромосом происходят в результате эктопической рекомбинации. Это только часть возможных перестроек хромосом. Другие их типы могут возникать в зависимости от того, какова ориентация повторов ДНК по отношению друг к другу (прямая или обратная), и от того, где они расположены: внутри одной хромосомы, в сестринских хроматидах или разных хромосомах. Несмотря на то, что обмены происходят между локальными участками гомологии, эктопическая рекомбинация осуществляется в основном теми же белками, что и гомологичная.

В настоящее время выделяют три типа рекомбинации: общую (происходит между гомологичными последовательностями ДНК; рекомбинация между гомологичными хроматидами в мейозе, реже — в ми¬тозе); сайт-специфическую (затрагивает молекулы ДНК, характеризующиеся ограни¬ченным структурным сходством, и наблюдается при интеграции фагового генома в бактериальную хромосому); незаконную (происходит во время транспозиции, не основанной на гомологии по¬следовательностей ДНК) [6, с. 182].

Цель работы: рассмотреть различные типы и механизмы генетической рекомбинации, ее значение. 

Задачи:

 осуществить теоретический анализ литературы;

 раскрыть сущность генетической рекомбинации;

 изучить различные типы генетической рекомбинации;

 рассмотреть механизмы, лежащие в основе генетической рекомбинации;

 выявить биологическое значение генетической рекомбинации.

Объекты исследования: генетическая рекомбинация, ее биологическое значение.

Предмет исследования: механизмы различных типов рекомбинации.

Метод исследования:  

 метод теоретического анализа  литературы по исследуемой тематике.

 

Изучая хиазмы, их строение, можно предположить, что процесс рекомбинации начинается с образования двух одноцепочечных разрывов в молекулах ДНК. Такую гипотезу высказал Робин Холлидей, предложивший в 1964 году модель рекомбинационных процессов у эукариот, основанную на принципе «разрыв-воссоединение пар гомологичных молекул  ДНК». По этому принципу две несестринские хроматиды рвутся и затем воссоединяются. 

Следует отметить, что когда хромосомы начинают расходиться, их контакты между собой остаются в виде так называемых хиазм. 

Традиционно считается, что хиазмы представляют собой отражение существования кроссинговера, хотя формальных доказательств этой связи до сих пор не получено [10, c.227].

Согласно модели Холлидея необходимым этапом рекомбинации является конъюгация, т.е. попарное сближение сестринских хроматид гомологичных хромосом с образованием взаимостабильных структур — бивалентов, при котором может происходить обмен генетическим материалом [6, c.184].

По-видимому, первым шагом к началу ре¬комбинации ДНК является сближение двух дуплексных молекул ДНК [10, c.227]. 

Процесс обмена одноцепочечными участками между родительскими нитями ДНК состоит из нескольких этапов (Приложение А): формирование структуры Холлидея и разрешение структуры Холлидея.

Формирование структуры Холлидея.

1. В ранней профазе мейоза наблюдается попарное сближение сестринских хроматид гомологичных хромосом с образованием бивалентов (т.е. конъюгация).

Заметим, что когда процесс спаривания хромосом завершен, хромосомы соединяются латерально за счет структуры, называемой синаптонемальным комплексом [10, c.227].

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 [12, с.58].

Гораздо большее значение, чем мутации, для изменчивости видов имеют генетические рекомбинации [5, с.456].

Можно выделить два наиболее важных процесса, где рекомбинация играет значительную роль. Один из них, это рекомбинационная репарация ДНК особенно важная в тех случаях, когда возможна потеря информации за счет повреждения обеих цепей ДНК. Примером такого рода является образование одноцепочечной бреши во время репликации напротив повреждения. Подобная ситуация не может быть исправлена без ошибок без привлечения другой молекулы ДНК. На основе исследований рекомбинации у бактерий и одноклеточных эукариот можно предположить, что основным значением этого процесса будет являться обеспечение репарации в тех случаях, когда повреждены обе цепи ДНК.

Второй процесс важен как одна из составляющих комбинативной изменчивости, где рекомбинация вносит существенный вклад в увеличение генетического разнообразия. 

Новые гены могут дополнительно включаться в геном в результате процессов генетической рекомбинации [2, c.13].

В частности, процессы незаконной рекомбинации сопряжены с транспозицией МГЭ и вирусов, а также могут способствовать внедрению чужеродной ДНК. Кроме того, известен ряд заболеваний, возникающих у человека вследствие некорректной гомологичной рекомбинации. К примеру, в геноме человека встречаются области протяженной гомологии, особенно часто возникающие вследствие дупликации (удвоения) относительно крупных фрагментов ДНК. Один из примеров: дупликация фрагмента ДНК, который содержит гены CYP21 и ген комплемента. В ходе эволюции одна из копий, CYP21A, накопила наследуемые изменения (мутации) и стала неактивной (образовался, так называемый, псевдоген). 

В ходе проделанной работы на тему «Генетическая рекомбинация и ее биологическое значение» были поставлены следующие задачи: осуществить теоретический анализ литературы; раскрыть сущность генетической рекомбинации; изучить различные типы генетической рекомбинации; рассмотреть механизмы, лежащие в основе генетической рекомбинации; выявить биологическое значение генетической рекомбинации.

 Можно отметить, что поставленные задачи выполнены, в результате чего поставленная цель – рассмотреть различные типы и механизмы генетической рекомбинации, а также ее биологическое значение, – была реализована.

Мы рассмотрели не все примеры рекомбинационных систем, ведущих к перестройкам в генетическом материале. Их много, и их роль разнообразна. Как и в случае гомологичной рекомбинации, процессы, основанные на негомологичной рекомбинации, играют большую роль в эволюции, но их функции проявляются особенно значимо в онтогенезе как прокариотических, так и эукариотических организмов. Сайт-специфическая рекомбинация играет ключевую роль в жизненных циклах умеренных бактериофагов.

Для  жизнедеятельности  любого  вида  большое  значение имеет  не  только  стабильность,  но  и  изменчивость  ДНК.  Нестабильная  ДНК  не  может обеспечить  приспособление  организма  к  изменяющимся  условиям  существования. Рекомбинация  ДНК  как  раз  и  выступает  в  качестве  механизма  адаптации  организма  к изменяющимся условиям среды обитания.