Модель Холлидея. Структура Холлидея.

Наблюдая в микроскоп хиазмы, анализируя их строение, можно предположить, что процесс рекомбинации начинается с образования двух одноцепочечных разрывов в разных молекулах ДНК. Именно такую гипотезу высказал Робин Холлидей, предложивший в 1964 г. стройную и изящную модель рекомбинационных процессов у эукариот, основанную на принципе «разрыв-воссоединение пар гомологичных молекул ДНК». Согласно этой модели 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.

Процесс обмена одноцепочечными участками между родительскими нитями ДНК состоит из нескольких этапов.

Формирование структуры Холлидея.

1. После репликации ДНК и, следовательно, удвоения хромосом, в ранней профазе мейоза наблюдается попарное сближение сестринских хроматид гомологичных хромосом с образованием бивалентов (т.е. конъюгация).
2. В каждой молекуле ДНК на двух сближенных гомологичных участках несестринских хроматид фермент никаза делает симметричные одноцепочечные разрезы.
3. Свободные концы цепей около разрывов отделяются от комплементарных партнеров и перебрасываются на бреши, образовавшиеся в гомологичных молекулах ДНК.

4. Концы переброшенных цепей лигируются с концами цепей реципиентных молекул ДНК, при этом образуется крестообразная структура Холлидея с гибридным районом, гетеродуплексом. Таким образом, две претерпевшие рекомбинацию хроматиды состоят в области концевых отделов из родительских цепей ДНК, а в середине — из участков, полученных от противоположных родительских молекул.
5. Центр структуры Холлидея, состоящей из двух полухиазм, может перемешаться вдоль спаренных цепей ДНК подобно замку застежки «молния», размыкая водородные связи между комплементарными основаниями внутри одной родительской молекулы ДНК и замыкая соответствующие связи между основаниями цепей из двух разных молекул ДНК. В результате такой миграции полухиазм в обеих родительских молекулах ДНК могут образовываться протяженные гетеродугшексные участки (у дрожжей зона гибридной ДНК достигает 1 000 п.н).

модель холлидея

Разрешение структуры Холлидея.

6. Структура Холлидея, состоящая из двух пар цепей (одна пара пересекающихся, другая - непересекающихся), спонтанно и под контролем может подвергаться изомеризации. Чтобы восстановить биспиральную структуру обеих молекул ДНК и таким образом закончить процесс их конъюгации, пересекающиеся цепи должны быть разрезаны. Еще одна изомеризация с поворотом одной из полухиазм вокруг точки перекреста на 180° приводит к образованию второй изомерной формы структуры Холлидея.
7. При разрезании полученного изомера по горизонтальной оси (в цепях, претерпевших обмен) две образовавшиеся молекулы ДНК не являются рекомбинантными по родительским маркерам (АВ и ab), фланкирующим область перекреста, но обе содержат по гетеродуплексному участку.

8. При разрезании по вертикальной оси (в интактных цепях) образовавшиеся линейные молекулы рекомбинантны по родительским генетическим маркерам, расположенным по обеим сторонам от гетеродуплексного участка ДНК.
Этапы 7 и 8 завершаются лигированием концов фрагментов, составляющих рекомбинантные и нерекомбинантные молекулы. Интенсивное изучение рекомбинации у бактерий сделало более понятной молекулярную организацию некоторых ее этапов. Установлено, что гомологичная рекомбинация у E.coli контролируется генами rec А, В, С и D. Идентифицированы ферменты, являющиеся белковыми продуктами этих генов. Долгое время полагали, что ключевую роль в обеспечении всех процессов общей рекомбинации у Е. coli играет белок RecA. Во-первых, он участвует в расплетании двойной спирали, способствуя конъюгации молекул ДНК, стабилизации свободных концов и взаимодействию рекомбинирующих комплементарных цепей. Во-вторых, белок RecA катализирует переориентацию цепей с образованием структуры Холлидея и дальнейшей миграцией полухиазм. Вполне вероятно, что белок RecA в условиях его повышенной продукции непосредственно участвует в репарации, направляя рекомбинацию между поврежденными и неповрежденными участками молекул ДНК. Накопленные экспериментальные данные позволяют заключить, что промежуточным этапом рекомбинации у Е. coli также является формирование и разрешение структур Холлидея. Таким образом, модель, изначально предложенная для объяснения молекулярного механизма рекомбинации у эукариот, казалась применимой и к прокариотам. Это позволяет предполагать значительное сходство процессов рекомбинации у тех и у других. Действительно, у дрожжей обнаруживаются гены, сходные с rec А.

Функции генов rec В, rec С и rec D стали проясняться лишь в последние годы. В настоящее время известно, что продукты именно этих генов играют ведущую роль в формировании свободных концов, т.е. именно они опосредуют начальный этап рекомбинации. При этом каждая из трех субъединиц комплекса функционирует высоко специфично. Об этом свидетельствует тот факт, что мутанты rec В, rec С и rec D обладают разными свойствами: у штаммов rec В и rec С резко снижена частота рекомбинации и повышена чувствительность к ДНК-повреждающим агентам. Кроме того они характеризуются низкой выживаемостью. Все это свидетельствует об их неспособности репарировать повреждения ДНК путем гомологичной рекомбинации. Мутанты recD по выживаемости не отличаются от штаммов дикого типа, следовательно, рекомбинационный путь репарации у них не нарушен.

У бактерий получено много мутантов, неспособных к рекомбинации, и идентифицировано 10-20 соответствующих локусов. Очевидно, даже у прокариот рекомбинация представлена различными системами, которые контролируются специфическими генами и функционируют в определенных условиях. Однако, во всех случаях, идет ли речь о традиционной рекомбинации, связанной с конъюгацией бактерий, или о рекомбинации, инициируемой повреждениями ДНК (как в случае пострепликативной репарации), или о рекомбинации с фаговым геномом, необходимыми предпосылками рекомбинации являются три момента. Это - образование одноцепочечного участка, образование свободного З'-конца, а, кроме того, одноцепочный участок и свободный 3'-конец должны быть в области гомологии одноцепочечной и двухцепочечной ДНК.

- Читать далее "Модель Мезельсона-Реддинга. Модель Жостака в генетике."

Оглавление темы "Рекомбинация и транскрипция ДНК.":
1. Атаксия-телеангиэктазия или синдром Луи-Бар. Синдром Блума.
2. Синдром Хатчинсона-Гилфорда или прогерия детей. Синдром Вернера.
3. Комбинативная изменчивость. Генетическая рекомбинация.
4. Модель Холлидея. Структура Холлидея.
5. Модель Мезельсона-Реддинга. Модель Жостака в генетике.
6. Генная конверсия. Механизмы генной конверсии.
7. Сайт специфическая рекомбинация. Особенности сайт специфической рекомбинации.
8. Незаконная рекомбинация в генетике. Методика незаконной рекомбинации.
9. Регуляция генной активности в ДНК. Транскрипция и регуляция генной активности.
10. Этапы транскрипции. Особенности транскрипции.

Ждем ваших вопросов и рекомендаций: