Кроссинговер: механизм обмена участками хромосом¶

Кроссинговер — это процесс обмена участками гомологичных хромосом, происходящий во время мейоза (в профазе I) и, в редких случаях, митоза. В результате кроссинговера образуются хромосомы с новыми комбинациями аллелей, что является одним из ключевых механизмов генетической рекомбинации и источником наследственной изменчивости у эукариот.

¶Механизм кроссинговера

Кроссинговер происходит после конъюгации — тесного попарного сближения гомологичных хромосом (отцовской и материнской). В профазе I мейоза хромосомы образуют структуры, называемые бивалентами (тетрадами), состоящие из четырёх хроматид. В ходе кроссинговера между несестринскими хроматидами (одна от отцовской, другая от материнской хромосомы) происходит разрыв и последующее воссоединение нитей ДНК.

Ключевую роль в этом процессе играет ферментный комплекс, включающий белки Spo11 (вносит двуцепочечные разрывы), Mre11-Rad50-Xrs2 (обработка концов), RecA-подобные белки (Rad51 и Dmc1, обеспечивающие поиск гомологии и инвазию цепей), а также белки «репарационного» комплекса, завершающие обмен. Образующиеся перекрёстные структуры — хиазмы — удерживают гомологичные хромосомы вместе вплоть до анафазы I, обеспечивая их правильную сегрегацию.

¶Типы кроссинговера

Различают несколько видов кроссинговера в зависимости от клеточного контекста и последствий:

• Мейотический кроссинговер — основной тип, происходящий в профазе I мейоза. Характерен для всех половых клеток эукариот.
• Митогический (соматический) кроссинговер — редкое событие в соматических клетках, не приводящее к образованию гамет. Может приводить к потере гетерозиготности, что в ряде случаев связано с развитием опухолей.
• Неравный кроссинговер — ошибка обмена, при которой происходит смещение гомологичных участков, приводящее к дупликации или делеции генов. Считается одним из механизмов эволюции генов и геномов.
• Одиночный и множественный кроссинговер — определяется числом обменов на хромосому; при множественных обменах возможно вовлечение нескольких хроматид одновременно.

¶Генетические последствия

Основное значение кроссинговера — создание новых комбинаций аллелей. Если два гена расположены в одной хромосоме, вероятность кроссинговера между ними пропорциональна расстоянию: чем дальше гены друг от друга, тем выше частота рекомбинации. Это свойство лежит в основе генетического картирования (построения хромосомных карт по частоте рекомбинации, в морганидах). Кроссинговер разрушает исходные сцепления аллелей, увеличивая комбинативную изменчивость потомства.

В то же время кроссинговер может приводить к негативным последствиям — неравному обмену, хромосомным аберрациям (делециям, дупликациям, инверсиям), а также к потере гетерозиготности в соматических клетках.

¶Регуляция и частота

Частота кроссинговера неодинакова по длине хромосомы. Существуют «горячие точки» рекомбинации (участки с повышенной частотой обменов) и «холодные» зоны (например, центромерные и теломерные районы, где кроссинговер подавлен). У человека средняя частота кроссинговера составляет примерно 1–2 обмена на хромосому за мейоз, однако половые различия выражены: у женщин суммарная карта рекомбинации длиннее, чем у мужчин.

На частоту кроссинговера влияют внешние и внутренние факторы: температура, возраст, пол, наличие хромосомных перестроек, мутации в генах рекомбинации (например, у дрожжей — в генах RAD-семейства). У некоторых видов (например, у самцов дрозофилы) кроссинговер в мейозе полностью отсутствует.

¶Эволюционное значение

Кроссинговер считается одним из главных механизмов, поддерживающих генетическое разнообразие популяций. Он позволяет «перетасовывать» аллели, способствуя отбору благоприятных комбинаций и устранению вредных мутаций (эффект «генетической очистки»). Без кроссинговера сцепленные гены наследовались бы как единый блок, что замедляло бы адаптацию организмов к меняющимся условиям среды.

Наряду с независимым расхождением хромосом и случайным оплодотворением, кроссинговер обеспечивает триаду механизмов комбинативной изменчивости, лежащих в основе полового размножения.

¶История открытия

Явление перекрёста хромосом было предсказано Ф. А. Янссенсом в 1909 году на основе цитологических наблюдений хиазм. В 1911 году Томас Хант Морган опубликовал данные о сцепленном наследовании у дрозофилы и предположил, что обмен участками хромосом объясняет частичное нарушение сцепления. Впоследствии А. Стертевант, ученик Моргана, разработал метод генетического картирования, основанный на частоте кроссинговера. Молекулярные механизмы кроссинговера были раскрыты во второй половине XX века благодаря работам Р. Холлидея (модель гетеродуплексной ДНК) и Дж. Меселсона.

¶Источники

• Морган Т. Х. «Теория гена». — Новосибирск, 1937.
• Жимулёв И. Ф. «Общая и молекулярная генетика». — Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2007.
• Клаг У. С., Каммингс М. Р. «Основы генетики». — М.: Техносфера, 2007.
• Alberts B. et al. «Molecular Biology of the Cell». — 6th ed. — Garland Science, 2014.