Незаконная рекомбинация

Незаконная рекомбинация - это сборная группа процессов, где рекомби­нация проис­ходит без гомологии между молекулами ДНК, и при этом без участия механизмов сайт-специфической ре­комбинации или транспози­ций. В качестве примеров можно при­вести захват ретровирусом неко­торых клеточных генов при его эксцизии из хромосомы хозяйской клетки, а также интеграцию фрагментов ДНК, вводимых в клетки позвоночных с помощью микроинъекций. Механизмы неза­конной рекомбинации малоизучены. Общим для них является соединение концов негомологич­ных молекул ДНК.

Впервые механизм одной из реакций незаконной рекомбинации был опи­сан япон­ским исследо­вателем Х. Икедой с сотрудниками в 1982 году. В опыте in vitro эти авторы продемонстрировали рекомбинацию между полно­стью негомологичными ДНК плазмиды pBR322 и фага лямбда, ката­лизируемую высокоочищенной топоизомеразой II (ДНК-гира­зой) E. coli. Согласно модели, пред­ложенной авторами, две молекулы гиразы, каждая из которых состоит из двух пар субъединиц, временно разрывают в обеих молекулах обе цепи ДНК, удерживая их концы. Затем они обмени­ваются парами субъединиц вместе с удерживаемыми концами разных ДНК-партнеров и сшивают концы дуплексов. Позднее Икеда показал такую рекомбинацию и in vivo в клетках E. coli. К на­стоящему времени на­коплены данные об участии топоизомераз обоих типов в незаконной ре­комбинации у бактерий и эукариот.

В последнее десятилетие у амфибий и млекопитающих обнаружены фер­менты, связы­вающие двуцепочечные концы ДНК независимо от их гомологии. Природа этих белков до последнего времени оставалась неясной. Сенсацион­ный прорыв в данной об­ласти возник в 1994-1995 годах в результате иссле­дования мутантов грызунов, прояв­ляющих повышенную по сравнению с нор­мальными особями чувствительность к ионизи­рующим излучениям. Известно, что ионизирующие излучения вызывают двуцепочечные разрывы ДНК, то есть разрывы хромосом, для залечивания которых в нормальной клетке существуют специальные системы репарации. У мутантов они на­рушены. Кроме того, у мутантов оказалась подавленной и интеграция в хромосомы фрагментов ДНК, искусст­венно введенных в клетки. Это неудивительно, поскольку у млекопи­тающих в ос­нове процессов как интеграции чужеродной ДНК, так и репарации двуцепочечных разрывов ле­жит соединение концов разорванных двуцепочеч­ных ДНК, обходящееся без гомологии, то есть оба процесса осуществляются по механизму незаконной рекомбинации (в отличие от дрожжей и бактерий, у которых они основаны на гомологичной рекомбинации). Не­ожиданным ока­зался тот факт, что мутанты проявили неспособность к рекомбинационным пе­рестройкам в кодирующих иммуноглобулины последовательностях ДНК, а это означает, что незаконная рекомбинация иг­рает важную роль и в этих пере­стройках. Таким образом, было выяснено, что в рекомбинации иммуноглобу­линовых последовательностей ДНК за­действованы два разных механизма. Ранние этапы - образование сайт-специфических двуцепочечных разрывов происходят по типу сайт-специфической, а поздние - воссо­единение концов разрывов - по механизму незаконной реком­бинации. Выявлен и фер­мент, от­ветственный за такую незаконную рекомбинацию: указанные выше радиочув­ст­вительные мутанты оказались дефектными по ДНК-зависимой протеинки­назе. Фермент активируется, связываясь со свободными концами ДНК незави­симо от их происхожде­ния, и соединяет эти концы.

Нетрудно заметить, что незаконная рекомбинация, подобно сайт-специ­фической ре­комбинации и транспозициям, может приводить к хромосомным перестройкам. В жи­вой клетке разрывы хро­мосом, являющиеся одним из ис­точников незаконной рекомбина­ции, могут спонтанно возникать в ходе реп­ликации, транскрипции и репарации ДНК. Од­нако нельзя исключить возмож­ность того, что произвольное комбинирование разорван­ных концов эукарио­тической хромосомы может ог­раничиваться структурной организа­цией хро­матина, фиксирующей эти концы.