Гомологичная рекомбинация

Основным способом рекомбинации, безусловно, является гомологическая или общая рекомбинация. Она происходит между двумя дуплексными молекулами ДНК и является необходимым элементом не только процесса мейоза, но и репарации и репликации. Следует подчеркнуть, что ферменты, участвующие в этом процессе, могут использовать в качестве субстрата любую пару гомологичных последовательностей.

Рекомбинация между хромосомами в мейозе подразумевает физический обмен частями, происходящий по принципу «разрыв и воссоединение», в ходе которых две несестринские хроматиды рвутся и затем воссоединяются. Когда хромосомы начинают расходиться, их контакты между собой остаются в виде так называемых хиазм. Традиционно считается, что хиазмы представляют собой отражение существования кроссинговера, хотя формальных доказательств этой связи до сих пор не получено.

У прокариот известны ферменты, вовлеченные в каждый этап рекомбинации, и кодирующие их гены, имеющие название rec (recombination). Мутации этих генов фенотипически проявляются в неспособности к рекомбинации. Идентифицировано около 20 таких генов. У Е. coli описаны два механизма гомологичной рекомбинации. Один – RecA-зависимый, то есть основанный на уникальных свойствах АТР-зависимой синаптазы – белка RecA, другой – recA-независимый, ключевым ферментом которого является АТР-независимая аннилаза – белок RecT. Белок RecT отжигает комплементарные участки ДНК взаимодействующих молекул так, что становится возможной репарация двунитевых разрывов ДНК. Но мы остановимся подробно на RecA-зависимой рекомбинации, так как именно этот тип рекомбинации оказался тем механизмом, эволюция которого привела к появлению особой системы репарации двунитевых разрывов у эукариот. У Е. coli в рекомбинацию, проводимую белком RecA, вовлечено более 20 белков. Рекомбинация инициируется переходом белка RecA в активную форму RecA*, представляющую собой тройной комплекс RecA::ATP::oнДHK, образующийся при полимеризации отдельных молекул RecA на онДНК в присутствии АТР. То есть онДНК выступает в качестве «затравки» процесса. Гомологическая рекомбинация может быть инициирована как двунитевыми разрывами ДНК так и однонитевыми брешами. Существует много доказательств того, что даже единственной бреши только в одной цепи молекулы ДНК достаточно для инициации общей рекомбинации. Химические препараты или облучение, приводящие к образованию однонитевых разрывов, будут стимулировать рекомбинацию. В принципе, инициировать рекомбинацию в клетке может любая онДНК. Однако в нормальной клетке баланс ферментов таков, что образующиеся в ходе репликации однонитевые пробелы (между фрагментами Оказаки) не являются рекомбиногенными.

Рисунок 15. Белок RecA организует трехнитчатую структуру ДНК.

Дальнейшее развитие процесса гомологической рекомбинации у E.coli протекает следующим образом. Нить ДНК, покрытая белком RecA, растягивается, филамент RecA::ATP::oнДHK имеет спиральную структуру и способен втягивать внутрь своей спирали молекулы днДНК партнера с образованием трехнитевои структуры, в которой и разыгрывается основной акт рекомбинации – переключение комплементарного спаривания, приводящее к "переносу" одной из нитей вошедшей ДНК на онДНК, находящуюся внутри филамента. Как видно, небольшой по размеру белок RecA (у бактерий его молекулярная масса составляет 38 кДа) полифункционален: он взаимодействует с АТР, образует филамент на онДНК, взаимодействует с днДНК, осуществляет гомологичный синапс молекул ДНК и перенос нити, как это показано на рис. 15. В ходе взаимодействия с АТР и онДНК белок претерпевает конформационные изменения, а в реакции переноса нити он использует свою ДНК-зависимую АТРазную активность, которая особенно необходима при взаимодействии областей ДНК с несовершенной гомологией.

Рекомбинационный процесс условно может быть разбит на три стадии: предсинаптическую, синаптическую и постсннаптическую. Первая включает подготовку ДНК-субстрата, инициирующего реакцию рекомбинации, то есть онДНК. Рассмотрим реакцию гомологической рекомбинации, инициированную наличием двунитевого разрыва, то есть конца двунитевой ДНК. Как правило, конец днДНК атакует нуклеаза RecBCD, которая за счет своей сильной геликазной активности (скорость расплетания ДНК до 1 т. п. нуклеотидов в секунду, процессивность до 30 т. п.н.) раскручивает ДНК вплоть до специфического рекомбинационного сайта "chi" (crossover hot spot instigation), наxодящегося в строго определенной ориентации (5'-GCTGGTGG). При этом фермент RecBCD действует как частощепящая с З'-конца и как редкощепящая с 5'-конца экзонуклеаза. Связываясь с участком chi, нуклеаза RecBCD модифицирует субъединицу RecD, теряя при этом 3'– и, наоборот, активируя 5'-экзонуклеазную активность, под действием которой и образуется онДНК с З'-концом. Эта онДНК покрывается белком RecA, что создает рекомбинационно активный филамент RecA::ATP::oнДHK с атакующим З'-концом, как это показано на рис 16 (Ланцов, 2001). RecBCD обладает несколькими важными для рекомбинации активностями, которые, однако, проявляются лишь при взаимодействии с участком chi, что превращает "ДНК-деградазу" RecBCD в "рекомбиназу". В случае инактивации этого фермента его заменяют 5'-3'-экзонуклеазы RecE или RecJ, которые совместно с геликазой RecQ способны создавать онДНК с З'-концом.

Однонитевые участки ДНК, покрытые белком SSB, могут стать субстратом рекомбинационной реакции только при условии, что белок SSB будет вытеснен белком RecA. Однако такого рода события являются, скорее, исключением, так как сродство к онДНК у белка SSB выше, чем у RecA. Предполагается, что в клетке белок RecA пассивен и "складирован" в пачки, образуемые путем бокового взаимодействия его филаментов, и что он "рекрутируется" при рекомбинационной репарации путем взаимодействия с молекулой АТР и последующей полимеризации на онДНК для создания тройного активного комплекса RecA::ATP::oнДHK. Вероятно, белок RecВ способен заранее привлекать белок RecA к месту возможного образования свободного 3’-конца и способствовать его преимущественной загрузке на однонитевую ДНК до того, как с ней успеет связаться белок SSB. В случае, когда этого не происходит, для связывания с онДНК белок RecA использует специализированные комплексы белков модуляторов RecF, RecO и RecR. Только так RecA может вытеснить уже связанный с однонитевой ДНК белок SSB и полимеризоваться на онДНК. В норме у клеток дикого типа в ходе репликации такие замещения репликационного белка SSB рекомбинационным RecA возможны лишь в редких случаях; при этом модуляторный комплекс RecOR, обладая сродством к онДНК, помогает связыванию RecA с этой ДНК, а другой комплекс RecFR со сродством к днДНК ограничивает полимеризацию белка RecA участком онДНК.

Рисунок 16. Взаимодействиебелка RecA с белками RecBCD

В белке RecA имеется несколько сайтов связывания с ДНК, поэтому он может удерживать одинонитевую и двунитевую цепи ДНК вместе. Эти сайты позволяют белку RecA катализировать многоступенчатую реакцию (называемую синапсисом) между двунитевой молекулой ДНК и гомологичными районами однонитевой, как показано на рис. 17 (Ланцов, 2001).

Рисунок 17. Связывание белка RecA с однонитевой и двунитевой ДНК.

Первым шагом в синапсисе является спаривание комплементарных последовательностей нуклеотидов. В результате образуется особая трехнитевая структура ДНК. Затем короткий гетеродуплексный участок, в котором нити из двух различных молекул начали спариваться, увеличивается из-за «миграции ветви» с образованием D-петли (deplacement loop). «Миграция ветви» может происходить в любой точке, где две одиночные цепи ДНК, имеющие одинаковые последовательности, конкурируют за возможность спариваться с одной и той же комплементарной нитью. Неспаренный участок одной из одиночных нитей заменяется спаренным районом другой, двигая точку ветвления. Спонтанное движение ветви равновероятно в любом направлении. Поскольку белок RecA катализирует однонаправленное движение ветви, это создает район гетеродуплекса длиной в несколько тысяч пар оснований. Такое расширение спаренного участка за счет миграции ветви ДНК осуществляется геликазами RuvAB и/или RecG. «Миграция ветви» приводит к вытеснению лишней нити ДНК, которая, в свою очередь, спаривается с комплементарной нитью партнера по рекомбинации, что приводит к образованию структуры Холлидея – четырехнитевой структуры ДНК, у которой две нити одной полярности находятся в перекресте. В этой структуре две гомологичные молекулы ДНК, которые раньше были спарены, теперь удерживаются вместе за счет сформировавшихся обменов между двумя из четырех цепей: по одной из каждой молекулы ДНК. Структура Холлидея имеет две особенности: 1) точка обмена между цепями может быстро мигрировать вперед и назад; 2) она состоит из двух пар цепей – одна пара пересекающихся и одна пара непересекающихся.

Третья стадия – "разрешение структуры Холлидея". Эту стадию осуществляет топоизомеразный комплекс RuvABC. Вначале эндонуклеаза RuvC (субъединица этого топоизомеразного комплекса) вносит координированные разрывы в нити ДНК одной полярности, затем разрывы зашиваются, молекулы ДНК расходятся и процесс перетасовки генетического материала завершен.

Таким схематически представляется процесс RecA-зависимой рекомбинации у бактерий. Подобным же образом его пытаются представить и у S. cercvisiae, отыскивая функциональные аналоги или даже гомологи. Главная роль гомологической рекомбинации у эукариот (кроме мейоза) – это воссоединение двунитевых разрывов ДНК и участие в пострепликативной репарации. Двунитевые разрывы ДНК являются самыми опсными для развития тяжелых генотоксических эффектов – разрывов хромосом, их перестроек и клеточной гибели. У высших эукариот один нерепарированный двунитевой разрыв в важном гене может привести к гибели клетки путем апоптоза.

Рекомбинационную репарацию (это словосочетание является по сути синнимом гомологической рекомбинации у эукариот) этих разрывов контролирует ряд генов, принадлежащих к эпистатической группе RAD52, среди которых особое место принадлежит гену RAD5I, так как его продукт структурно и функционально гомологичен бактериальному белку RecA. Другие гены, принадлежащие к этой группе, также кодируют белки структурно сходные с белком RecA. К их числу относятся гены Dmc1, Rad55 и Rad57 (последний, правда, кодирует белок более сходный с белком Rad51, чем с RecA). Но только Rad51 обладает способностью катализировать АТР-зависимое гомологичное спаривание и обмен нитей ДНК в реакции переноса нити in vitro подобно тому, как это делает RecA. Так же, как RecA требует присутствия в реакции белка SSB, Rad5l требует присутствия его эукариотического аналога – фактора репликации RPA. Вероятно, подобно RecA, RAD51 функционирует в комплексе с другими белками, облегчающими его взаимодействие с однонитевой и двунитевой ДНК. Такой комплекс с Rad51 могут, например, образовывать белки Rad52, Rad54, Rad55 и Rad57. В кроссоверном разрешении холидеевских структур в клетках высших организмов могут принимать участие различные эндонуклеазы, в том числе XPF. При некроссоверном разрешении, при котором также нужны топологические изменения ДНК, их могут проводить RecQ-подобные геликазы вместе с топоизомеразой III. Подробно процесс гомологической рекомбинации у высших эукариот мы рассмотрим при описании процессов репарации двунитевых разрывов.

Белки, подобные Rad5l дрожжей, выявлены у грибов, у растений, птиц и млекопитающих, включая человека. У млекопитающих они найдены в мейотическом хроматине и в составе синаптонемального комплекса.