Модель Мезельсона-Реддинга. Модель Жостака в генетике.

Один из не укладывающихся в модель Холлидея фактов — асимметричный обмен цепями ДНК, наблюдающийся у ряда грибов Ascomycetes. Для устранения этого несоответствия в середине 70-х годов теперь уже прошлого XX века М. Мезельсон и К. Рэддинг модифицировали модель Холлидея, предположив, что в начале рекомбинации гетеродуплексный участок образуется не на двух, а только на одной молекуле ДНК. Основные принципы функционирования этой модели представлены схематически на рисунке.
1. После образования одноцепочечного разрыва в ДНК одной хроматиды происходит репарационный синтез и вытеснение свободного конца разорванной цепи.
2. Вытесняемый конец внедряется в структуру двойной спирали партнера, в свою очередь, вытесняя там участок одной из ее цепей, в результате чего образуется петля.
3. Петля расщепляется нуклеазами, и с концом, образовавшимся при ее деградации, ковалентно соединяется конец внедрившейся цепи. В то же время в ДНК, претерпевшей одноцепочечный разрыв, как результат репарационного синтеза формируется асимметричный гетеродуплекс.

4. Изомеризация приводит к образованию структуры Холлидея.
5. Миграция полухиазм порождает симметричные участки гетеродуплексной ДНК в обоих партнерах.
6. Разрешение структуры Холлидея при расщеплении в области перекреста может завершиться рекомбинацией фланкирующих маркеров или сохранением типа сцепления, характерного для родительских молекул ДНК.

В частичном противоречии с логикой классической модели находятся и результаты, полученные на дрожжах Sacchammyces, свидетельствующие о том, что первоначальное событие, приводящее у них к рекомбинации, — это не одноцепочечный, а двухцепочечный разрыв в одной из хромосом. Принято считать, что любое повреждение, затрагивающее две цепи (сестринские хроматиды) одной хромосомы чрезвычайно опасно, поскольку при отсутствии репарации может приводить к генетической нестабильности, хромосомным перестройкам и гибели клеток. Однако двухцепочечные разрывы ДНК постоянно возникают в процессе нормальной жизнедеятельности клеток. У дрожжей они играют ключевую роль в инициации мейотической рекомбинации.

модель мезельсона-реддинга

Последовательность событий, приводящих к рекомбинации в данном случае, более сложна, чем в модели Холлидея.
1-2. Вначале частичная деградация разорванных сестринских хроматид под действием экзонуклеаз приводит к образованию выступающих 3'-концов.
3. Затем одна из цепей взаимодействует с несестринской хроматидой и замещает в ней такую же цепь, которая, в свою очередь, образует гетеродуплекс с оставшимся одноцепочечным участком. Область спаривания расширяется, дополнительный синтез восполняет утерянную информацию.

4. В результате возникает промежуточный продукт, содержащий с обеих сторон от сайта двухцепочечного разрыва по две полухиазмы Холлидея. Кроме того, в его составе есть два гетеродуплексных участка.
5. Этот промежуточный продукт разрешается на конечные продукты рекомбинации под действием резольвазы, разрезающей полухиазмы либо в паре цепей, находящихся в точке перекреста, либо в интактной паре.

Пока не ясно, как свободные одноцепочечные участки находят другие хроматиды. Однако логически такой ход событий также может быть оправдан: сходные процессы должны протекать при репарации двухцепочечных разрывов. Первый контакт инициациирует сближение хроматид и последующее образование синаптонемного комплекса. Основные этапы этой модели получили экспериментальное подтверждение. Многими исследователями показано, что специфические двухцепочечные разрывы связаны с «горячими» точками мейотической рекомбинации. Тем не менее, отдельные аспекты остаются не вполне ясными. В частности, расположение гетеродуплексных участков ДНК в промежуточном продукте на поздних стадиях репарации. Согласно описанной выше модели Дж. Жостака, они должны формироваться за счет обеих хроматид-участниц рекомбинации, но по разные стороны от сайта инициации. Однако в экспериментальном материале тетрады (группы из четырех хроматид, равные паре гомологичных хромосом) с такой конфигурацией практически отсутствовали, зато был выявлен класс тетрад, не предсказываемый канонической моделью. Объяснение этому факту предложили Джилбертсон и Ф. Сталь. Согласно их модели, такое разрешение промежуточного продукта возможно двумя способами. Пассивное разрешение.

1. Вначале происходит расщепление одной (на схеме — правой) полухиазмы. При этом остаются незакрытыми два одноцепочечные разрыва.
2. Оставшаяся нерасщепленная (левая) полухиазма перемещается путем миграции ветвей в сторону сохранившихся одноцепочечных разрывов.
3. По достижении их полухиазма пассивно разрешается. Продукты будут проявлять родительское сочетание маркеров, независимо от ориентации полухиазмы, которая первой подверглась разрешению. Один из продуктов (именно он отсутствует в канонической модели Жостака) будет содержать гетеродуплекс.

Активное разрешение.

1. Под действием топоизомеразы, удаляющей супервитки, полухиазмы начинают сближаться.
2. Это сближение достигает предельной степени (окружностью обозначена молекула топоизомеразы).
3. На заключительном этапе топоизомераза разрешает два гомолога и формирует те же, что и в случае пассивного разрешения, продукты.

Идеи Джилбертсона и Сгаля получили экспериментальное подтверждение. Однако следует заметить, что в сравнении с канонической моделью рекомбинационной репарации и описанный выше вариант, и другие предлагаемые системы в плане репарации, по-видимому, малоэффективны и работают только в отсутствие основного механизма. Тем не менее, детальное изучение молекулярных механизмов гомологичной рекомбинации уже сейчас позволяет с полной уверенностью утверждать, что процессы генетической рекомбинации и собственно репарации двухцепочечных разрывов неразделимы. И потомутермины «репарация двухцепочечных разрывов ДНК», «рекомбинационная репарация», «рекомбинация» и «генная конверсия» (она будет рассмотрена дальше) достаточно часто используются в литературе для обозначения одних и тех же процессов.
Частота рекомбинации в разных точках хромосомы может различаться, порой значительно. Как правило, этот показатель ниже в гетерохроматиновых районах, особенно — вблизи уже произошедшего обмена. Существуют «горячие» точки рекомбинации. У бактерий примером такой точки может служить chi-сайт - последовательность из 8 нуклеотидов (5'-GCTGGTGG), регулирующая экзонуклеазную и геликазную активность гетеротримерного комплекса RecBCD. При достижении белком RecBCD chi-сайта производится разрез (т.е. фермент работает как экзонуклеаза), субъединица RecD высвобождается, а образовавшийся димер RecBC активно раскручивает спираль ДНК (т.е. функционирует как геликаза). По-видимому, основная функция вышеназванного фермента - создать одноцепочечный участок и свободный 3'-конец.

Другой очевидный стимул для рекомбинации — образование одноцепочечной бреши в ДНК в результате репликации на матрице с повреждением. Брешь, естественно, образуется напротив дефектного участка. В этом случае возможна рекомбинация с другой, вновь синтезированной хромосомой, не содержащей повреждения и, соответственно, бреши. Обычно для осуществления рекомбинации в подобном случае требуется дополнительный одноцепочечный разрыв в неповрежденной ДНК. Дальнейший этап рекомбинации связан с деятельностью белка RecA, который осуществляет ассимиляцию одноцепочечного участка (single-strand uptake or single strand assimilation) - так называется процесс замещения одной из цепей ДНК в двух -цепочечной молекуле одноцепочечным участком. Этот процесс происходит всегда в одном направлении — 5' -> 3' по той цепи ДНК, комплементарная цепь которой замещается, именно поэтому нужен хотя бы один свободный 3'-конец.
Если взаимодействуют между собой две двухцепочечные молекулы ДНК (одна из которых содержит одноцепочечный участок), то вытесненная цепь, в свою очередь, образует дуплекс с ДНК из другой хромосомы, потерявшей своего партнера. Процесс вытеснения цепей продолжается с достаточно высокой скоростью - 10-20 нуклеотидов в секунду. В реализации этого важного этапа рекомбинации, участвуют продукты генов ruvА и В. Существующая структура не может быть постоянной, поскольку связывает две различные молекулы ДНК. Разрешение этой ситуации возможно с помощью разрывов ДНК. В зависимости от того, какие цепи ДНК разрываются, образуется либо рекомбинантная структура, либо не рекомбинантная, но содержащая короткие фрагменты гибридной ДНК в обеих хромосомах. Разрезание ДНКтакже осуществляется специальным белком, продуктом гена ruvC.

- Читать далее "Генная конверсия. Механизмы генной конверсии."

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: