Презентація: Рекомбінація ДНК у прокаріотів та еукаріотів

Рекомбінація ДНК у прокаріотів та еукаріотів

Генетична рекомбінація, або просто рекомбінація — процес, у якому ланцюжок ДНК розривається, а потім його фрагменти об'єднується в іншому порядку. У вищих організмів рекомбінація здійснюється при:незалежному розходженні хромосом під час процесу мейозу;при обміні ділянками гомологічних (парних) хромосом — кросинговері. Цей процес приводить до утворення геномів нащадків, котрі отримують різні комбінації генів своїх батьків, і можуть мати нові химерні алелі. У еволюційній біології вважається, що така перестановка генів надає організму багато переваг, зокрема можливість уникнення храповика Мюллера.

Існують і приклади негомологічної рекомбінації. Найпоширеніший приклад — негомологічне з'єднання кінців, що відбувається під час репарації дволанцюжкових розривів ДНК. У молекулярній біології термін «рекомбінація» може також послатися на штучну і навмисну рекомбінацію певних ділянок ДНК, часто отриманих із різних організмів, створюючи так звану рекомбінантну ДНК. Процеси рекомбінації в природі каталізуються ферментами-рекомбіназами: RECA, рекомбіназа бактерії E. coli, відповідає за репарацію подвійних розривів ДНК;у дріжджів і інших еукаріотних організмах для відновлення дволанцюжкових розривів потрібні дві рекомбінази:а) білок RAD51 потрібний як для мітотичної рекомбінації, так і для мейотичної;б) білок DMC1 специфічний до мейотичної рекомбінації.

Мейоз - це непрямий поділ клітини, у результаті якого утворюються чотири гаплоїдні дочірні клітини з вдвічі меншим набором хромосом і відбувається рекомбінація генетичного матеріалу. Мейоз відбувається у два етапи з утворенням гаплоїдних клітин з видозміненою спадковою інформацією.

Число можливих комбінацій хромосом у гаметах унаслідок незалежного розходження хромосом в анафазі I дорівнює 2n, де n — число хромосом гаплоїдного набору. Наприклад, в статевих клітинах людини число таких комбінацій становить: 223 = 8 388 608. Якщо врахувати випадкову зустріч гамет під час запліднення, то число можливих комбінацій в однієї батьківської пари становить223 × 223 = 70 368 744 177 664 або близько 7,04 × 1013 Для порівняння — число зірок у нашій Галактиці оцінюють величиною порядку 1011–1012.

Типи мейозугаметнийспоровийзиготний. Формування гамет у тварин. Формування спор для безстатевого розмноження у рослин. Формування талому або міцелію із зиготи у грибів або нижчих рослин

Біологічне значення мейозу забезпечення зміни спадкового матеріалу; підтримка сталості каріотипу при статевому розмноженні; утворення гамет для статевого розмноження тварин; формування спор для нестатевого розмноження вищих рослин;відновлення пошкоджень ДНК.

Для забезпечення мінливості організмів молекула ДНК має здатність до перебудов. Рекомбінація ДНК (генетична рекомбінація) – це перерозподіл генетичної інформації ДНК, що приводить до виникнення нових комбінацій генів.

Рекомбінація ДНКГомологічна рекомбінація – це процес обміну нуклеотидними послідовностями між гомологічними хромосомами чи ланцюгами ДНКНегомологічна рекомбінація – це процес обміну нуклеотидними послідовностями між негомологічними хромосомами або ланцюгами ДНК.випадкове вбудовування вірусних чи бактеріальних фрагментів ДНК у ДНК клітини-хазяїна.для виправлення пошкоджень ДНК;створення нових комбінацій генів при мейозі;кросинговер;

Генетичний обмін у бактерій процес передачі генетичного матеріалу у мікробів. Основні шляхи здійснення:трансформаціятрансдукціякон'югація. Кінцевим етапом генетичного обміну, який може бути як внутрішньовидовий, так і міжвидовий, є рекомбінація. Рекомбінація - процес взаємодії між молекулами ДНК, що призводить до формування нової рекомбінантної молекули, що несе ознаки від бактерії-донора та від бактерії-реципієнта.

Рекомбінація. Законна. Вимагає наявності протяжних комплементарних ділянок ДНК у молекулах, що рекомбінуються. Відбувається лише між близькими спорідненими видами. Незаконна. Не вимагає наявності протяжних комплементарних ділянок ДНКВідбувається за участю Is-елементів, що забезпечують швидке вбудовування у хромосому

Передача генетичного матеріалу між бактеріями за допомогою фрагментів ДНК. Вперше була відтворена Ф. Гріффітсом 1928. Він одночасно вводив у черевну порожнину білих мишей авірулентні безкапсульні штами пневмокока та вбиті капсульні варіанти цих бактерій, в результаті авірулентні штами набули вірулентності. Трансформація

Трансформація

Умови, необхідні для успішної трансформації: ДНК донора має бути виділена з бактеріальної культури того ж виду, що і реципієнт (або близькоспорідненого). Ділянка трансформуючої ДНК повинна зберігати двонитчасту суперспіралізацію. Концентрація ДНК не повинна бути малою чи надмірною, в обох випадках кількість рекомбінантів знижується. Клітини-реципієнти мають бути компетентними, тобто. здатними адсорбувати на своїй поверхні ДНК донора та поглинати її.

Стадії трансформаціїАдсорбція ДНК-донора на клітині-реципієнтіПроникнення ДНК усередину клітини-реципієнта. З'єднання ДНК з гомологічною ділянкою хромосоми реципієнта з наступною рекомбінацією

Трансдукціяпроцес перенесення генетичного матеріалу від бактерії-донора до бактерії-реципієнта за допомогою бактеріофагаспецифічна(локалізована) неспецифічна(загальна) абортивна

- бактеріофаг переносить будь-які гени донора; - неспецифічну трансдукцію здійснюють вірулентні фаги;- включення ДНК клітини-реципієнта при складанні фага має випадковий характер. Неспецифічна трансдукція:

Основні етапи: Адгезія на поверхні бактерії-донора з подальшим проникненням. Розмноження бактеріофага всередині клітини. Самоскладання фагових частинок та утворення дефектного бактеріофага (зберігає інфекційні властивості та містить якийсь фрагмент ДНК бактерії донора). Перенесення дефектним бактеріофагом включеної ДНК у клітину-реципієнт. Рекомбінація та включення перенесеної ДНК у клітину-реципієнт, а отже, зміна її властивостей.

Специфічна трансдукціяфаг переносить певні гени від бактерії-донора до бактерії-реципієнта

Основні етапи:Інтеграція ДНК помірного бактеріофага в певну ділянку хромосоми клітини-донора. Захоплення сусідніх бактеріальних генів (наприклад, "gal" або "bio") при виході з хромосоми. Формування дефектного бактеріофага (втрачено фрагмент власної ДНК фага, але захоплено фрагмент ДНК донора). Перенесення захопленого фрагмента ДНК донора в клітину-реципієнт. Включення його до геному клітини-реципієнта за допомогою рекомбінації.

Абортивна трансдукціяперенесений матеріал передається лише одній із двох дочірніх клітин

Основні етапи: Формування дефектного бактеріофага, який містить фрагменти власної ДНК та ДНК донора. Перенесення дефектним бактеріофагом включеної ДНК у клітину-реципієнт. Внесений фагом фрагмент донорної ДНК не інтегрує в бактеріальну хромосому і не реплікується. Однолінійне успадкування донорного гена і зрештою втрачається у потомстві.

Кон’югація. Необхідна умова: наявність у клітині-донорі трансмісивної плазміди. Процес кон'югації у бактерій вперше було виявлено Джошуа Ледербергом та Едвардом Тейтумом 1946.форма обміну генетичним матеріалом між бактеріями при безпосередньому контакті

Цей процес контролюється F-плазмідами (F-факторами), які, перебуваючи в цитоплазмі клітини, можуть реплікуватися автономно (F+-клітини), а можуть бути інтегровані в бактеріальну хромосому, тоді це Hfr-штами. Виділяючись з бактеріальної хромосоми, можуть захоплювати частину бактеріальних генів і ставати автономними, тоді утворюється F'-плазміда. Донори: F+-клітини («чоловічі», містять F-плазміду)Реципієнти: F-клітини («жіночі», не містять F-плазміду)

Основні етапи: Прикріплення клітини-донора до реципієнтної клітини за допомогою статевих ворсинок. Утворення між обома клітинами кон'югаційного містка. Розрив та деспіралізація однієї з ниток ДНК, проникнення проксимального кінця в клітину-реципієнт через кон'югаційний місток. Добудовування другої нитки ДНК у клітині-реципієнті та відновлення ДНК-донора.

Схрещування F+ x F-: передається тільки F-плазміда, при цьому F-клітина стає F+-клітиною, набуваючи плазміди та властивостей донора. Хромосомні гени не передаються. Схрещування Hfr x F-: (є рекомбінанти) передаються бактеріальні гени. Для проникнення всієї хромосомної нитки потрібно багато часу і, як правило, повний перехід здійснюється рідко, відповідно гени, розташовані в тій частині хромосоми, яка не встигла проникнути в реципієнтну клітину, не передаються взагалі. Тому клітини-реципієнти при такому схрещуванні зазвичай не стають донорами. Схрещування F’ x F-: (є рекомбінанти) відбувається аналогічно схрещування F+ x F- і реципієнтна клітина перетворюється на донорну. Типи схрещування