Μετάβαση στο περιεχόμενο

Επιχιασμός χρωμοσωμάτων

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Ο επιχιασμός λαμβάνει χώρα μεταξύ της πρόφασης Ι και της μετάφασης Ι και είναι η διαδικασία όπου δύο ομόλογες μη αδελφές χρωματίδες ζευγαρώνουν μεταξύ τους και ανταλλάσσουν διαφορετικά τμήματα γενετικού υλικού για να σχηματίσουν δύο ανασυνδυασμένες αδελφές χρωματίδες χρωμοσωμάτων. Μπορεί επίσης να συμβεί κατά τη μιτωτική διαίρεση,[1] που μπορεί να οδηγήσει σε απώλεια ετεροζυγωτίας. Ο επιχιασμός είναι σημαντικός για τον φυσιολογικό διαχωρισμό των χρωμοσωμάτων κατά τη διάρκεια της μείωσης.[2] Ο επιχιασμός ευθύνεται επίσης για γενετική παραλλαγή, επειδή λόγω της εναλλαγής γενετικού υλικού κατά τον επιχιασμό, οι χρωματίδες που συγκρατούνται μαζί από το κεντρομερίδιο δεν είναι πλέον ταυτόσημες. Έτσι, όταν τα χρωμοσώματα περνούν στη μείωση II και διαχωρίζονται, μερικά από τα θυγατρικά κύτταρα λαμβάνουν θυγατρικά χρωμοσώματα με ανασυνδυασμένα αλληλόμορφα. Λόγω αυτού του γενετικού ανασυνδυασμού, οι απόγονοι έχουν διαφορετικό σύνολο αλληλόμορφων και γονιδίων από τους γονείς τους. Στο διάγραμμα, τα γονίδια B και b επιχιάζονται μεταξύ τους, δημιουργώντας τους ανασυνδυασμούς που προκύπτουν μετά τη μείωση Ab, AB, ab και aB.
Η απεικόνιση του επιχιασμού από τον Thomas Hunt Morgan (1916)
Διπλός επιχιασμός

Επιχιασμός χρωμοσωμάτων ή χιασματυπία χρωμοσωμάτων ή χρωματοσωμικός επιχιασμός, είναι η ανταλλαγή γενετικού υλικού κατά τη διάρκεια της εγγενούς αναπαραγωγή μεταξύ δύο μη αδελφών χρωματίδων ομόλογων χρωμοσωμάτων που οδηγεί σε ανασυνδυασμένα χρωμοσώματα. Είναι μια από τις τελικές φάσεις του γενετικού ανασυνδυασμού, η οποία εμφανίζεται στο στάδιο παχυταινίας της πρόφασης Ι της μείωσης κατά τη διάρκεια μιας διαδικασίας που ονομάζεται σύναψη (synapsis). Η σύναψη ξεκινά πριν από την ανάπτυξη του συναπτονηματικού συμπλέγματος (synaptonemal complex) και δεν ολοκληρώνεται παρά κοντά στο τέλος της προφάσης Ι. Ο επιχιασμός συμβαίνει συνήθως όταν οι περιοχές που ταιριάζουν στα αντίστοιχα χρωμοσώματα σπάνε και μετά επανασυνδέονται με το άλλο χρωμόσωμα. Ο επιχιασμός περιγράφηκε, θεωρητικά, από τον Τόμας Χαντ Μόργκαν. Ο όρος επιχιασμός επινοήθηκε από τους Morgan και Eleth Cattell.[3] Ο Χαντ βασίστηκε στην ανακάλυψη του Frans Alfons Janssens που περιέγραψε το φαινόμενο το 1909 και το είχε αποκαλέσει χιασματυπία (chiasmatypie).[4] Ο όρος χίασμα (chiasma) συνδέεται, αν και όχι ταυτόσημα, με τον χρωμοσωμικό επιχιασμό. Ο Morgan είδε αμέσως τη μεγάλη σημασία της κυτταρολογικής ερμηνείας των χιασμάτων από τον Janssens στα πειραματικά αποτελέσματα της έρευνάς του σχετικά με την κληρονομικότητα της Δροσόφιλα. Η φυσική βάση του επιχιασμού αποδείχθηκε για πρώτη φορά από τους Harriet Creighton και Barbara McClintock το 1931.[5] Η συνδεδεμένη συχνότητα επιχιασμού μεταξύ δύο δεικτών τόπων του γονιδίου είναι η τιμή επιχιασμού (crossing-over value). Για σταθερό σύνολο γενετικών και περιβαλλοντικών συνθηκών, ο ανασυνδυασμός σε μια συγκεκριμένη περιοχή μιας δομής σύνδεσης (χρωμοσώματος) τείνει να είναι σταθερή και τότε το ίδιο ισχύει για την τιμή επιχιασμού που χρησιμοποιείται στην παραγωγή γενετικών χαρτών.[6][7] Όταν οι Hotta κ.α. το 1977 συνέκριναν τον μειωτικό επιχιασμό με τον (ανασυνδυασμό) σε κρίνο και ποντίκι κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι διαφορετικά ευκαρυωτικά κύτταρα μοιράζονται ένα κοινό μοτίβο.[8] Αυτό το εύρημα υποδηλώνει ότι ο χρωμοσωμικός επιχιασμός είναι ένα γενικό χαρακτηριστικό της ευκαρυωτικής μείωσης.

Προέλευση

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Υπάρχουν δύο δημοφιλείς και αλληλοεπικαλυπτόμενες θεωρίες που εξηγούν την προέλευση του επιχιασμού, που προέρχονται από τις διαφορετικές θεωρίες για την προέλευση της μείωσης. Η πρώτη θεωρία βασίζεται στην ιδέα ότι η μείωση εξελίχθηκε ως μια άλλη μέθοδος επιδιόρθωσης του DNA, και επομένως ο επιχιασμός είναι ένας νέος τρόπος αντικατάστασης πιθανών κατεστραμμένων τμημάτων DNA.[9] Η δεύτερη θεωρία προέρχεται από την ιδέα ότι η μείωση προήλθε από βακτηριακό μετασχηματισμό, με τη λειτουργία της διάδοσης της διαφορετικότητας.[9] Το 1931, η Barbara McClintock ανακάλυψε ένα τριπλοειδές φυτό αραβοσίτου. Έκανε βασικά ευρήματα σχετικά με τον καρυότυπο του καλαμποκιού, συμπεριλαμβανομένου του μεγέθους και του σχήματος των χρωμοσωμάτων. Η McClintock χρησιμοποίησε τα στάδια πρόφασης και μετάφασης της μίτωσης για να περιγράψει τη μορφολογία των χρωμοσωμάτων του καλαμποκιού και αργότερα έδειξε την πρώτη κυτταρολογική επίδειξη επιχιασμού στη μείωση. Δουλεύοντας με τη μαθήτρια Harriet Creighton, η McClintock συνέβαλε επίσης σημαντικά στην πρώιμη κατανόηση της συνεξάρτησης των συνδεδεμένων γονιδίων.

Θεωρία επιδιόρθωσης του DNA

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Ο επιχιασμός και η επιδιόρθωση του DNA είναι πολύ παρόμοιες διαδικασίες, οι οποίες χρησιμοποιούν πολλά από τα ίδια σύμπλοκα πρωτεϊνών.[10][11] Στην έκθεσή της, "The Significance of Responses of the Genome to Challenge", η McClintock μελέτησε το καλαμπόκι για να δείξει πώς το γονιδίωμα του καλαμποκιού θα άλλαζε μόνο του για να ξεπεράσει τις απειλές για την επιβίωσή του. Χρησιμοποίησε 450 αυτογονιμοποιημένα φυτά που έλαβαν από κάθε γονέα ένα χρωμόσωμα με ρήξη άκρου. Χρησιμοποίησε τροποποιημένα μοτίβα γονιδιακής έκφρασης σε διαφορετικούς τομείς των φύλλων των φυτών καλαμποκιού της για να δείξει ότι τα μετατιθέμενα στοιχεία ("στοιχεία ελέγχου") κρύβονται στο γονιδίωμα και η κινητικότητά τους τούς επιτρέπει να αλλάζουν τη δράση των γονιδίων σε διαφορετικούς τόπους. Αυτά τα στοιχεία μπορούν επίσης να αναδομήσουν το γονιδίωμα, οπουδήποτε από λίγα νουκλεοτίδια έως ολόκληρα τμήματα του χρωμοσώματος. Ένα τέτοιο συγκεκριμένο σύμπλεγμα πρωτεϊνών που διατηρείται μεταξύ των διεργασιών είναι το RAD51, μια καλά διατηρημένη πρωτεΐνη ανασυνδυάσης που έχει αποδειχθεί ότι είναι κρίσιμη για την επιδιόρθωση του DNA καθώς και για τον επιχιασμό.[12] Αρκετά άλλα γονίδια στh D. melanogaster έχουν επίσης συνδεθεί και με τις δύο διαδικασίες, δείχνοντας ότι τα μεταλλάγματα σε αυτούς τους συγκεκριμένους τόπους δεν μπορούν να υποστούν επιδιόρθωση ή επιχιασμό DNA. Τέτοια γονίδια περιλαμβάνουν τα mei-41, mei-9, hdm, spnA και brca2. Αυτή η μεγάλη ομάδα διατηρημένων γονιδίων μεταξύ των διεργασιών υποστηρίζει τη θεωρία μιας στενής εξελικτικής σχέσης. Επιπλέον, η επιδιόρθωση του DNA και ο επιχιασμός έχει βρεθεί ότι ευνοούν παρόμοιες περιοχές στα χρωμοσώματα. Σε ένα πείραμα που χρησιμοποιεί ακτινοβολία υβριδικής χαρτογράφησης στο χρωμόσωμα 3Β του σιταριού (Triticum aestivum L.), ο επιχιασμός και η επιδιόρθωση του DNA βρέθηκαν να συμβαίνουν κυρίως στις ίδιες περιοχές.[13] Επιπρόσθετα, ο επιχιασμός έχει συσχετιστεί ότι συμβαίνει ως απόκριση σε αγχωτικές -και πιθανώς βλαβερές για το DNA- συνθήκες.[14][15]

Σύνδεσμοι με τον βακτηριακό μετασχηματισμό

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η διαδικασία του βακτηριακού μετασχηματισμού έχει επίσης πολλές ομοιότητες με τον χρωμοσωμικό επιχιασμό, ιδιαίτερα στον σχηματισμό προεξοχών στις πλευρές του σπασμένου κλώνου DNA, επιτρέποντας την αναδόμηση ενός νέου κλώνου. Ο ίδιος ο βακτηριακός μετασχηματισμός έχει συνδεθεί με την επιδιόρθωση του DNA πολλές φορές Η δεύτερη θεωρία προέρχεται από την ιδέα ότι η μείωση προήλθε από βακτηριακό μετασχηματισμό, με τη λειτουργία της διάδοσης της γενετικής ποικιλότητας.[9][16] Έτσι, αυτά τα στοιχεία υποδηλώνουν ότι είναι ζήτημα εάν ο επιχιασμός συνδέεται με την επιδιόρθωση του DNA ή με τον βακτηριακό μετασχηματισμό, καθώς τα δύο τους δεν φαίνεται να αλληλοαποκλείονται. Είναι πιθανό ότι ο επιχιασμός μπορεί να έχει εξελιχθεί από βακτηριακό μετασχηματισμό, ο οποίος με τη σειρά του αναπτύχθηκε από την επιδιόρθωση του DNA, εξηγώντας έτσι τους δεσμούς μεταξύ και των τριών διεργασιών.

Χημεία

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
Ένα τρέχον πρότυπο μειωτικού ανασυνδυασμού, που ξεκινά από μια θραύση ή διάκενο διπλού κλώνου, που ακολουθείται από σύζευξη με ένα ομόλογο χρωμόσωμα και εισβολή κλώνου για να ξεκινήσει η διαδικασία ανασυνδυαστικής επιδιόρθωσης. Η επιδιόρθωση του κενού μπορεί να οδηγήσει σε επιχιασμό (crossover, CO) ή μη επιχιασμό (non-crossover, NCO) των πλευρικών περιοχών. Ο ανασυνδυασμός CO πιστεύεται ότι συμβαίνει από το πρότυπο διπλού συνδέσμου Holliday (Double Holliday Junction, DHJ), που απεικονίζεται στα δεξιά, παραπάνω. Οι ανασυνδυαστές NCO πιστεύεται ότι εμφανίζονται κυρίως από το πρότυπο αναδόμησης κλώνου εξαρτώμενου από τη σύνθεση (Synthesis Dependent Strand Annealing, SDSA), που απεικονίζεται στα αριστερά, παραπάνω. Τα περισσότερα συμβάντα ανασυνδυασμού φαίνεται να είναι τύπου SDSA.

Ο μειωτικός ανασυνδυασμός μπορεί να ξεκινήσει με δίκλωνες θραύσεις που εισάγονται στο DNA με έκθεση σε παράγοντες που βλάπτουν το DNA,[9] ή την πρωτεΐνη Spo11.[17] Στη συνέχεια, μία ή περισσότερες εξωνουκλεάσες (exonucleases) αφομοιώνουν τα 5' άκρα που δημιουργούνται από τις δίκλωνες θραύσεις για την παραγωγή 3' μονόκλωνων ουρών DNA (βλ. διάγραμμα). Η ειδική για τη μείωση ανασυνδυασμάση (recombinase) Dmc1 και η γενική ανασυνδυασμάση Rad51 επικαλύπτουν το μονόκλωνο DNA για να σχηματίσουν νημάτια νουκλεοπρωτεΐνης.[18] Οι ανασυνδυασμάσες καταλύουν την εισβολή στην αντίθετη χρωματίδα από το μονόκλωνο DNA από το ένα άκρο της θραύσης. Στη συνέχεια, το 3' άκρο του εισβάλλοντος DNA ξεκινά τη σύνθεση του DNA, προκαλώντας μετατόπιση του συμπληρωματικού κλώνου, ο οποίος στη συνέχεια αναδιατάσσεται στο μονόκλωνο DNA που δημιουργείται από το άλλο άκρο της αρχικής δίκλωνης θραύσης. Η δομή που προκύπτει είναι μια επιχιασμένη ανταλλαγή, γνωστή και ως σύνδεσμος Χολιντέι (Holliday Junction). Η επαφή μεταξύ των δύο χρωματίδων που σύντομα θα υποστούν επιχιασμό είναι γνωστή ως χίασμα (chiasma). Ο σύνδεσμος Holliday είναι μια τετραεδρική δομή που μπορεί να 'τραβηχτεί' από άλλες ανασυνδυασμάσες, μετακινώντας τον κατά μήκος της τετράκλωνης δομής.

Σύνδεσμος Holliday
Σύνδεσμος Holliday  
Μοριακή δομή ενός συνδέσμου Holliday.
Μοριακή δομή ενός συνδέσμου Holliday.  
Μοριακή δομή ενός συνδέσμου Holliday. Από PDB 3CRX.
Μοριακή δομή ενός συνδέσμου Holliday. Από PDB 3CRX.  

MSH4 και MSH5

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Οι πρωτεΐνες MSH4 και MSH5 σχηματίζουν μια ετεροολιγομερή δομή σε ζυμομύκητες και ανθρώπους.[19][20][21] Στον ζυμομύκητα Saccharomyces cerevisiae, οι MSH4 και MSH5 δρουν ειδικά για να διευκολύνουν τους επιχιασμούς μεταξύ ομόλογων χρωμοσωμάτων κατά τη μείωση.[19] Το σύμπλεγμα MSH4/MSH5 δεσμεύει και σταθεροποιεί διπλά τους συνδέσμους Holliday και προωθεί την ανάλυσή τους σε προϊόντα επιχιασμού. Ένα υπόμορφο MSH4 (μερικώς λειτουργικό) μετάλλαγμα του S. cerevisiae έδειξε μια μείωση κατά 30% σε όλο το γονιδίωμα στους αριθμούς επιχιασμού και μεγάλο αριθμό μειώσεων με μη ανταλλακτικά χρωμοσώματα.[22] Ωστόσο, αυτό το μετάλλαγμα οδήγησε σε μοτίβα βιωσιμότητας σπορίων υποδηλώνοντας ότι ο διαχωρισμός των μη ανταλλακτικών χρωμοσωμάτων συνέβη αποτελεσματικά. Έτσι στο S. cerevisiae ο σωστός διαχωρισμός δεν εξαρτάται προφανώς εξ ολοκλήρου από επιχιασμούς μεταξύ ομολόγων ζευγών.

Χίασμα

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η ακρίδα Melanoplus femur-rubrum εκτέθηκε σε οξεία δόση ακτίνων Χ κατά τη διάρκεια κάθε μεμονωμένου σταδίου της μείωσης και μετρήθηκε η συχνότητα χιάσματος.[23] Ακτινοβόληση κατά τη διάρκεια των σταδίων λεπτοταινίας-ζυγοταινίας της μείωσης (δηλαδή πριν από την περίοδο παχυταινίας κατά την οποία λαμβάνει χώρα επιχιασμικός ανασυνδυασμός ) βρέθηκε ότι αυξάνει την επακόλουθη συχνότητα χιάσματος. Ομοίως, στην ακρίδα Chorthippus brunneus, η έκθεση σε ακτινοβολία Χ κατά τη διάρκεια των πρώιμων σταδίων ζυγοταινίας-παχυταινίας προκάλεσε σημαντική αύξηση στη μέση συχνότητα κυτταρικού χιάσματος.[24] Η συχνότητα του χιάσματος βαθμολογήθηκε στα μεταγενέστερα στάδια της μείωσης διπλοταινίας-διακίνησης. Αυτά τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι οι ακτίνες Χ προκαλούν βλάβες στο DNA που επιδιορθώνονται από μια επιχιασμική οδό που οδηγεί στο σχηματισμό χιάσματος.

Επιχιασμοί κατηγορίας I και κατηγορίας II

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Οι θραύσεις διπλού κλώνου (Double strand breaks, DSB) επιδιορθώνονται από δύο οδούς για να δημιουργήσουν επιχιασμούς σε ευκαρυώτες.[25] Η πλειοψηφία τους επισκευάζεται από τα ομόλογα MutL MLH1 και MLH3, τα οποία ορίζουν τους επιχιασμούς κατηγορίας I. Τα υπόλοιπα είναι το αποτέλεσμα της οδού κατηγορίας II, η οποία ρυθμίζεται από την ενδονουκλεάση MUS81 και την μετατοπάση (translocase) FANCM. Υπάρχουν διασυνδέσεις μεταξύ αυτών των δύο οδών - οι επιχιασμοί κατηγορίας Ι μπορούν να αντισταθμίσουν την απώλεια οδού κατηγορίας II. Στα ποντίκια νοκ-άουτ MUS81, οι επιχιασμοί κατηγορίας Ι είναι αυξημένοι, ενώ ο συνολικός αριθμός επιχιασμών στα χιάσματα είναι φυσιολογικός. Ωστόσο, οι μηχανισμοί που υπογραμμίζουν αυτή την παρεμβολή δεν είναι καλά κατανοητοί. Μια πρόσφατη μελέτη προτείνει ότι μια πρωτεΐνη ικριώματος που ονομάζεται SLX4 μπορεί να συμμετέχει σε αυτήν την ρύθμιση.[26] Συγκεκριμένα, τα ποντίκια νοκ-άουτ SLX4 φαινοαντιγράφουν σε μεγάλο βαθμό το νοκ-άουτ MUS81 — για άλλη μια φορά, ένας ανυψωμένος επιχιασμός κατηγορίας Ι ενώ μετράνε τα κανονικά χιάσματα. Στα ποντίκια νοκ-άουτ FANCM, η οδός κατηγορίας ΙΙ υπερενεργοποιείται, με αποτέλεσμα αυξημένο αριθμό επιχιασμών που είναι ανεξάρτητες από την οδό MLH1/MLH3.[27]

Συνέπειες

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
Η διαφορά μεταξύ γονιδιακής μετατροπής και χρωμοσωμικού επιχιασμού.

Στα περισσότερα ευκαρυωτικά κύτταρα, ένα κύτταρο φέρει δύο εκδοχές κάθε γονιδίου, καθεμία από τις οποίες αναφέρεται ως αλληλόμορφο. Κάθε γονέας περνά από ένα αλληλόμορφο σε κάθε απόγονο. Ένας μεμονωμένος γαμέτης κληρονομεί ένα πλήρες απλοειδές συμπλήρωμα αλληλόμορφων στα χρωμοσώματα που επιλέγονται ανεξάρτητα από κάθε ζεύγος χρωματίδων που παρατάσσονται στη μεταφασική πλάκα. Χωρίς ανασυνδυασμό, όλα τα αλληλόμορφα για εκείνα τα γονίδια που συνδέονται μεταξύ τους στο ίδιο χρωμόσωμα θα κληρονομούνταν μαζί. Ο μειωτικός ανασυνδυασμός επιτρέπει έναν πιο ανεξάρτητο διαχωρισμό μεταξύ των δύο αλληλόμορφων που καταλαμβάνουν τις θέσεις των μεμονωμένων γονιδίων, καθώς ο ανασυνδυασμός ανακατεύει το περιεχόμενο αλληλόμορφων μεταξύ ομόλογων χρωμοσωμάτων. Ο ανασυνδυασμός οδηγεί σε μια νέα διάταξη μητρικών και πατρικών αλληλόμορφων στο ίδιο χρωμόσωμα. Αν και τα ίδια γονίδια εμφανίζονται με την ίδια σειρά, ορισμένα αλληλόμορφα είναι διαφορετικά. Με αυτόν τον τρόπο, είναι θεωρητικά δυνατό να υπάρχει οποιοσδήποτε συνδυασμός γονικών αλληλόμορφων σε έναν απόγονο και το γεγονός ότι δύο αλληλόμορφα εμφανίζονται μαζί σε έναν απόγονο δεν έχει καμία επίδραση στη στατιστική πιθανότητα ότι ένας άλλος απόγονος θα έχει τον ίδιο συνδυασμό. Αυτή η αρχή της "ανεξάρτητος συνδυασμός" γονιδίων είναι θεμελιώδης για τη γενετική κληρονομικότητα.[28] Ωστόσο, η συχνότητα του ανασυνδυασμού δεν είναι στην πραγματικότητα η ίδια για όλους τους συνδυασμούς γονιδίων. Αυτό οδηγεί στην έννοια της "γενετικής απόστασης", η οποία είναι ένα μέτρο συχνότητας ανασυνδυασμού που υπολογίζεται κατά μέσο όρο σε ένα (κατάλληλα μεγάλο) δείγμα γενεαλογικού δένδρου. Μιλώντας χαλαρά, μπορεί κανείς να πει ότι αυτό συμβαίνει επειδή ο ανασυνδυασμός επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από την εγγύτητα ενός γονιδίου με ένα άλλο. Εάν δύο γονίδια βρίσκονται κοντά το ένα στο άλλο σε ένα χρωμόσωμα, η πιθανότητα ότι ένα γεγονός ανασυνδυασμού θα διαχωρίσει αυτά τα δύο γονίδια είναι μικρότερη από ό,τι εάν ήταν πιο μακριά. Η γενετική σύνδεση περιγράφει την τάση των γονιδίων να κληρονομούνται μαζί ως αποτέλεσμα της θέσης τους στο ίδιο χρωμόσωμα. Η ανισορροπία σύνδεσης περιγράφει μια κατάσταση στην οποία ορισμένοι συνδυασμοί γονιδίων ή γενετικών δεικτών εμφανίζονται περισσότερο ή λιγότερο συχνά σε έναν πληθυσμό από ό,τι θα αναμενόταν από τις αποστάσεις τους. Αυτή η έννοια εφαρμόζεται κατά την αναζήτηση ενός γονιδίου που μπορεί να προκαλέσει μια συγκεκριμένη ασθένεια. Αυτό γίνεται συγκρίνοντας την εμφάνιση μιας συγκεκριμένης αλληλουχίας DNA με την εμφάνιση μιας ασθένειας. Όταν βρεθεί υψηλή συσχέτιση μεταξύ των δύο, είναι πιθανό ότι η κατάλληλη γονιδιακή αλληλουχία είναι πραγματικά πιο κοντά.[28]

Μη ομόλογος επιχιασμός

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Οι επιχιασμοί συμβαίνουν συνήθως μεταξύ ομόλογων περιοχών ταιριασμένων χρωμοσωμάτων, αλλά οι ομοιότητες στην αλληλουχία και σε άλλους παράγοντες μπορεί να οδηγήσουν σε αταίριαστες ευθυγραμμίσεις. Το μεγαλύτερο μέρος του DNA αποτελείται από αλληλουχίες ζευγών βάσεων που επαναλαμβάνονται πάρα πολλές φορές.[29] Αυτά τα επαναλαμβανόμενα τμήματα, που αναφέρονται συχνά ως δορυφόροι, είναι αρκετά ομοιογενή μεταξύ ενός είδους.[29] Κατά την αντιγραφή του DNA, κάθε κλώνος DNA χρησιμοποιείται ως πρότυπο για τη δημιουργία νέων κλώνων χρησιμοποιώντας έναν μερικώς συντηρητικό μηχανισμό. Η σωστή λειτουργία αυτής της διαδικασίας έχει ως αποτέλεσμα δύο ταυτόσημα, ζευγαρωμένα χρωμοσώματα, που συχνά ονομάζονται αδερφά. Συμβάντα επιχιασμού αδελφών χρωματίδων είναι γνωστό ότι συμβαίνουν με ρυθμό πολλών συμβάντων επιχιασμού ανά κύτταρο και ανά διαίρεση σε ευκαρυωτικά κύτταρα.[29] Τα περισσότερα από αυτά τα συμβάντα περιλαμβάνουν ανταλλαγή ίσων ποσοτήτων γενετικών πληροφοριών, αλλά μπορεί να προκύψουν άνισες ανταλλαγές λόγω αναντιστοιχίας της αλληλουχίας. Αυτά αναφέρονται με μια ποικιλία ονομάτων, συμπεριλαμβανομένου του μη ομόλογου επιχιασμού, του άνισου επιχιασμού και του μη ισορροπημένου ανασυνδυασμού, και καταλήγουν σε εισαγωγή ή διαγραφή γενετικών πληροφοριών στο χρωμόσωμα. Αν και είναι σπάνιοι σε σύγκριση με ομόλογα συμβάντα επιχιασμού, αυτές οι μεταλλάξεις είναι δραστικές, επηρεάζοντας πολλούς τόπους ταυτόχρονα. Θεωρούνται ο κύριος μοχλός πίσω από τη δημιουργία γονιδιακού διπλασιασμού και αποτελούν μια γενική πηγή μετάλλαξης μέσα στο γονιδίωμα.[30] Οι συγκεκριμένες αιτίες των μη ομόλογων συμβάντων επιχιασμού είναι άγνωστες, αλλά είναι γνωστό ότι αρκετοί παράγοντες επιρροής αυξάνουν την πιθανότητα ενός άνισου επιχιασμού. Ένας κοινός παράγοντας που οδηγεί σε μη ισορροπημένο ανασυνδυασμό είναι η επιδιόρθωση θραύσεων διπλού κλώνου (double-strand breaks, DSBs).[31] Οι θραύσεις διπλού κλώνου επιδιορθώνονται συχνά χρησιμοποιώντας διόρθωση κατευθυνόμενη από ομολογία, μια διαδικασία που περιλαμβάνει εισβολή σε μία αλυσίδα-μήτρα (template strand) από τον κλώνο DSB (βλ. εικόνα παρακάτω). Κοντινές ομόλογες περιοχές αλυσίδας-μήτρας χρησιμοποιούνται συχνά για επιδιόρθωση, κάτι που μπορεί να προκαλέσει είτε εισαγωγές είτε διαγραφές στο γονιδίωμα εάν χρησιμοποιηθεί ένα μη ομόλογο αλλά συμπληρωματικό τμήμα της αλυσίδας-μήτρας.[31] Η ομοιότητα αλληλουχίας είναι ένας σημαντικός παράγοντας στον επιχιασμό - τα συμβάντα επιχιασμού είναι πιο πιθανό να συμβούν σε μεγάλες περιοχές στενής ταυτότητας σε ένα γονίδιο.[32] Αυτό σημαίνει ότι οποιοδήποτε τμήμα του γονιδιώματος με μεγάλες τομές επαναλαμβανόμενου DNA είναι επιρρεπές σε συμβάντα επιχιασμού. Η παρουσία των μεταθετών στοιχείων (transposable elements) είναι ένα άλλο σημαντικό στοιχείο του μη ομόλογου επιχιασμού. Οι επαναλαμβανόμενες περιοχές του κώδικα χαρακτηρίζουν μεταθετά στοιχεία. Συμπληρωματικές αλλά μη ομόλογες περιοχές είναι πανταχού παρούσες μέσα στα μεταθετόνια. Επειδή οι χρωμοσωμικές περιοχές που αποτελούνται από μεταθετόνια έχουν μεγάλες ποσότητες ταυτόσημου, επαναλαμβανόμενου κώδικα σε ένα συμπυκνωμένο χώρο, πιστεύεται ότι οι περιοχές μεταθετονίωνπου υφίστανται ένα συμβάν επιχιασμού είναι πιο επιρρεπείς σε λανθασμένη συμπληρωματική αντιστοίχιση.[33] Δηλαδή, ένα τμήμα ενός χρωμοσώματος που περιέχει πολλές ταυτόσημες ακολουθίες, εάν υποστεί ένα συμβάν επιχιασμού, είναι λιγότερο βέβαιο ότι ταιριάζει με ένα απόλυτα ομόλογο τμήμα συμπληρωματικού κώδικα και είναι πιο επιρρεπές στη δέσμευση με ένα τμήμα κώδικα σε ελαφρώς διαφορετικό μέρος του χρωμοσώματος. Αυτό οδηγεί σε μη ισορροπημένο ανασυνδυασμό, καθώς η γενετική πληροφορία μπορεί είτε να εισαχθεί είτε να διαγραφεί στο νέο χρωμόσωμα, ανάλογα με το πού συνέβη ο ανασυνδυασμός. Ενώ οι κινητήριοι παράγοντες πίσω από τον άνισο ανασυνδυασμό παραμένουν σκοτεινοί, στοιχεία του φυσικού μηχανισμού έχουν αποσαφηνιστεί. Οι πρωτεΐνες επιδιόρθωσης αταίριαστου ζεύγους (Mismatch repair, MMR), για παράδειγμα, είναι μια ευρέως γνωστή ρυθμιστική οικογένεια πρωτεϊνών, υπεύθυνες για τη ρύθμιση αταίριαστων αλληλουχιών DNA κατά τη διάρκεια της αντιγραφής και της ρύθμισης διαφυγής.[34] Ο λειτουργικός στόχος των MMR είναι η αποκατάσταση του γονικού γονοτύπου. Μια κατηγορία MMR συγκεκριμένα, η MutSβ, είναι γνωστό ότι ξεκινά τη διόρθωση αναντιστοιχιών εισαγωγής-διαγραφής έως και 16 νουκλεοτιδίων.[34] Λίγα είναι γνωστά για τη διαδικασία εκτομής στους ευκαρυώτες, αλλά. οι εκτομές E. coli περιλαμβάνουν τη διάσπαση μιας εντομής είτε στον 5' ή στον 3' κλώνο, μετά την οποία η ελικάση και η DNA πολυμεράση III δεσμεύονται και δημιουργούν μονόκλωνες πρωτεΐνες, οι οποίες πέπτονται από εξωνουκλεάσες και συνδέονται με τον κλώνο με λιγάση.[34] Πολλαπλές οδοί MMR έχουν εμπλακεί στη διατήρηση της σταθερότητας του γονιδιώματος του σύνθετου οργανισμού και οποιαδήποτε από τις πολλές πιθανές δυσλειτουργίες στην οδό MMR έχει ως αποτέλεσμα σφάλματα επεξεργασίας και διόρθωσης του DNA.[35] Επομένως, ενώ δεν είναι σίγουρο ποιοι ακριβώς μηχανισμοί οδηγούν σε σφάλματα μη ομόλογου επιχιασμού, είναι εξαιρετικά πιθανό να εμπλέκεται η οδός MMR.

Παραπομπές

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
  1. ↑ Griffiths AJ, Gelbart WM, Miller JH, και άλλοι. (1999). «Mitotic Crossing-Over». Modern Genetic Analysis. New York: W. H. Freeman. 
  2. ↑ «Meiotic crossover patterns: obligatory crossover, interference and homeostasis in a single process». Cell Cycle 14 (3): 305–314. 2015-02-01. doi:10.4161/15384101.2014.991185. PMID 25590558. 
  3. ↑ «Data for the study of sex-linked inheritance in Drosophila». Journal of Experimental Zoology 13 (1): 79–101. 1912. doi:10.1002/jez.1400130105. Bibcode: 1912JEZ....13...79M. https://zenodo.org/record/2153714. 
  4. ↑ «The chiasmatype theory. A new interpretation of the maturation divisions. 1909». Genetics 191 (2): 319–346. June 2012. doi:10.1534/genetics.112.139725. PMID 22701051. 
  5. ↑ «A Correlation of Cytological and Genetical Crossing-Over in Zea Mays». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 17 (8): 492–497. August 1931. doi:10.1073/pnas.17.8.492. PMID 16587654. Bibcode: 1931PNAS...17..492C.  (Original paper)
  6. ↑ Rieger R, Michaelis A, Green MM (1976). Glossary of genetics and cytogenetics: Classical and molecular. Heidelberg – New York: Springer-Verlag. ISBN 978-3-540-07668-1. 
  7. ↑ King RC, Stransfield WD (1998). Dictionary of genetics. New York & Oxford: Oxford University Press. ISBN 0-19-50944-1-7.  (ISBN 0-19-509442-5).
  8. ↑ «Meiotic crossing-over in lily and mouse». Nature 269 (5625): 240–242. September 1977. doi:10.1038/269240a0. PMID 593319. Bibcode: 1977Natur.269..240H. 
  9. ↑ 9,0 9,1 9,2 9,3 «Evolutionary origin of recombination during meiosis». BioScience 60 (7): 498–505. 2010. doi:10.1525/bio.2010.60.7.5. 
  10. ↑ «MHF1 plays Fanconi anaemia complementation group M protein (FANCM)-dependent and FANCM-independent roles in DNA repair and homologous recombination in plants». The Plant Journal 78 (5): 822–833. June 2014. doi:10.1111/tpj.12507. PMID 24635147. 
  11. ↑ «Cdk1 targets Srs2 to complete synthesis-dependent strand annealing and to promote recombinational repair». PLOS Genetics 6 (2): e1000858. February 2010. doi:10.1371/journal.pgen.1000858. PMID 20195513. 
  12. ↑ «Evidence that spontaneous mitotic recombination occurs at the two-strand stage». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 75 (9): 4436–4440. September 1978. doi:10.1073/pnas.75.9.4436. PMID 360220. Bibcode: 1978PNAS...75.4436E. 
  13. ↑ «DNA repair and crossing over favor similar chromosome regions as discovered in radiation hybrid of Triticum». BMC Genomics 13 (339): 339. July 2012. doi:10.1186/1471-2164-13-339. PMID 22827734. 
  14. ↑ «The relevance of oxidative stress and cytotoxic DNA lesions for spontaneous mutagenesis in non-replicating yeast cells». Mutation Research 688 (1–2): 47–52. June 2010. doi:10.1016/j.mrfmmm.2010.03.006. PMID 20223252. 
  15. ↑ «Sex as a response to oxidative stress: a twofold increase in cellular reactive oxygen species activates sex genes». Proceedings. Biological Sciences 271 (1548): 1591–1596. August 2004. doi:10.1098/rspb.2004.2747. PMID 15306305. 
  16. ↑ «Antibiotics and UV radiation induce competence for natural transformation in Legionella pneumophila». Journal of Bacteriology 193 (5): 1114–1121. March 2011. doi:10.1128/JB.01146-10. PMID 21169481. 
  17. ↑ «Meiosis-specific DNA double-strand breaks are catalyzed by Spo11, a member of a widely conserved protein family». Cell 88 (3): 375–384. February 1997. doi:10.1016/S0092-8674(00)81876-0. PMID 9039264. 
  18. ↑ «Fission yeast rad51 and dmc1, two efficient DNA recombinases forming helical nucleoprotein filaments». Molecular and Cellular Biology 25 (11): 4377–4387. June 2005. doi:10.1128/MCB.25.11.4377-4387.2005. PMID 15899844. 
  19. ↑ 19,0 19,1 «Conserved properties between functionally distinct MutS homologs in yeast». The Journal of Biological Chemistry 272 (48): 30345–30349. November 1997. doi:10.1074/jbc.272.48.30345. PMID 9374523. 
  20. ↑ «Cloning and characterization of the human and Caenorhabditis elegans homologs of the Saccharomyces cerevisiae MSH5 gene». Genomics 53 (1): 69–80. October 1998. doi:10.1006/geno.1998.5447. PMID 9787078. 
  21. ↑ «hMSH5: a human MutS homologue that forms a novel heterodimer with hMSH4 and is expressed during spermatogenesis». Cancer Research 59 (4): 816–822. February 1999. PMID 10029069. 
  22. ↑ «Variation in crossover frequencies perturb crossover assurance without affecting meiotic chromosome segregation in Saccharomyces cerevisiae». Genetics 199 (2): 399–412. February 2015. doi:10.1534/genetics.114.172320. PMID 25467183. 
  23. ↑ «Meiosis in the grasshopper: chiasma frequency after elevated temperature and x-rays». Canadian Journal of Genetics and Cytology 11 (1): 209–216. March 1969. doi:10.1139/g69-025. PMID 5797806. 
  24. ↑ «The effect of x-irradiation on chiasma frequency in Chorthippus brunneus». Heredity 27 (1): 83–91. August 1971. doi:10.1038/hdy.1971.73. PMID 5289295. https://archive.org/details/sim_heredity_1971-08_27_1/page/n95. 
  25. ↑ «MUS81 generates a subset of MLH1-MLH3-independent crossovers in mammalian meiosis». PLOS Genetics 4 (9): e1000186. September 2008. doi:10.1371/journal.pgen.1000186. PMID 18787696. 
  26. ↑ «Mammalian BTBD12 (SLX4) protects against genomic instability during mammalian spermatogenesis». PLOS Genetics 7 (6): e1002094. June 2011. doi:10.1371/journal.pgen.1002094. PMID 21655083. 
  27. ↑ «Fancm has dual roles in the limiting of meiotic crossovers and germ cell maintenance in mammals». Cell Genomics 3 (8): 100349. August 2023. doi:10.1016/j.xgen.2023.100349. PMID 37601968. 
  28. ↑ 28,0 28,1 Darling D. «Genetic recombination». 
  29. ↑ 29,0 29,1 29,2 «Evolution of repeated DNA sequences by unequal crossover». Science 191 (4227): 528–535. February 1976. doi:10.1126/science.1251186. PMID 1251186. Bibcode: 1976Sci...191..528S. 
  30. ↑ Graur D, Li WH (2000). Fundamentals of Molecular Evolution (στα Αγγλικά). Sinauer. ISBN 9780878932665. 
  31. ↑ 31,0 31,1 «The repair of double-strand breaks in plants: mechanisms and consequences for genome evolution». Journal of Experimental Botany 56 (409): 1–14. January 2005. doi:10.1093/jxb/eri025. PMID 15557293. 
  32. ↑ «Homology requirements for unequal crossing over in humans». Genetics 128 (1): 143–161. May 1991. doi:10.1093/genetics/128.1.143. PMID 2060774. PMC 1204444. https://archive.org/details/sim_genetics_1991-05_128_1/page/n152. 
  33. ↑ «Nonallelic homologous recombination between retrotransposable elements is a driver of de novo unbalanced translocations». Genome Research 23 (3): 411–418. March 2013. doi:10.1101/gr.145631.112. PMID 23212949. 
  34. ↑ 34,0 34,1 34,2 «DNA mismatch repair». Annual Review of Biochemistry 74 (1): 681–710. 2005. doi:10.1146/annurev.biochem.74.082803.133243. PMID 15952900. https://zenodo.org/record/1234939. 
  35. ↑ «Mismatch repair proteins: key regulators of genetic recombination». Cytogenetic and Genome Research 107 (3–4): 146–159. 2004. doi:10.1159/000080593. PMID 15467360. 
Ανακτήθηκε από "https://el.wikipedia.org/w/index.php?title=Επιχιασμός_χρωμοσωμάτων&oldid=10971206"