7.10:

7.10: Genkonvertierung

Gene Conversion

JoVE Core
Molecular Biology

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JoVE Core Molecular Biology

Gene Conversion

7.9: Restarting Stalled Replication Forks

7.11: Overview of Transposition and Recombination

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02:08 min

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November 23, 2020

Overview

Other than maintaining genome stability via DNA repair, homologous recombination plays an important role in diversifying the genome. In fact, the recombination of sequences forms the molecular basis of genomic evolution. Random and non-random permutations of genomic sequences create a library of new amalgamated sequences. These newly formed genomes can determine the fitness and survival of cells. In bacteria, homologous and non-homologous types of recombination lead to the evolution of new genomes that ultimately decide the adaptability of bacteria to varying environmental conditions.

During meiosis, when a single cell divides twice to produce four cells containing half the original number of chromosomes, HR leads to crossovers between genes. This means that two regions of the same chromosome with nearly identical sequences break and then reconnect but to a different end piece. The minor differences between the DNA sequences of the homologous chromosomes do not change the function of the gene but can change the allele or the phenotype of the gene. For example, if a gene codes for a trait such as hair color, its allele determines the specific phenotype, i.e. whether the hair would be black, blonde or red. Humans contain two alleles of the same gene, at each gene location, one from each parent. Recombination such as gene conversion changes this distribution, altering the gene’s form or manifestation in the offspring.

Transcript

Im Gegensatz zur Mitose, bei der Doppelstrangbrüche zufällig sind, werden sie bei der Meiose durch ein Enzym namens Spo11 erzeugt, das das Phosphodiester-Rückgrat spaltet. Die gebrochenen spiralförmigen Enden werden durch einen Proteinkomplex namens MRX beschnitten und der Schaden wird durch einen Prozess namens Genkonversion repariert.

Hier dringt der beschädigte “Akzeptor”-DNA-Strang in einen homologen “Donor”-DNA-Duplex ein und bildet eine Verdrängungsschleife. Dadurch entstehen Regionen aus Heteroduplex-DNA, in denen sich ein Strang aus der Donor-DNA mit einem komplementären Strang aus der Akzeptor-DNA paart.

Die DNA-Polymerase dehnt den eindringenden Strang aus, und die verlängerte D-Schleife paart sich dann mit dem freien 3′-Schwanz. Die DNA-Synthese am neu eingefangenen Strang führt zur Bildung eines Zwischenprodukts mit zwei viersträngigen Strukturen, den sogenannten Holliday-Verbindungen.

Dieses Zwischenprodukt des doppelten Holliday-Übergangs wird durch DNA-Reparaturenzyme, sogenannte Resolvasen, aufgelöst, und es gibt zwei Orientierungen, in denen die Verbindungen gespalten werden können. Im ersten Fall schneidet die Resolvase jede Verbindung horizontal ein, so dass die Elternstränge noch intakt sind.

Dies führt zu einem Nicht-Crossover-Produkt, das so benannt ist, weil die Stränge nach dem Bruch bei ihrem ursprünglichen Partner verbleiben und es keine größere Überkreuzung von Donor- und Akzeptorstrang gibt.

Alternativ, wenn die Spaltung vertikal erfolgt, werden die die Schädigung flankierenden Bereiche vertauscht, was zu einem Crossover-Produkt führt, bei dem der Donorstrang nach dem Bruch mit dem Akzeptorstrang rekombiniert.

Die Genkonversion hat einen erheblichen Einfluss auf die genomische Diversität. Bei sich sexuell fortpflanzenden Organismen erbt der Nachwuchs einen Satz Gene vom Vater und einen Satz von der Mutter.
Die elterlichen DNA-Sätze rekombinieren und die Schwesterchromatiden durchlaufen eine Genumwandlung. Dies führt dazu, dass die Nachkommen im Vergleich zu denen der Eltern neue Chromosomen aufweisen.

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Genkonversion Meiose Spo11-Enzym Doppelstrangbrüche Phosphodiester-Rückgrat MRX-Proteinkomplex Heteroduplex-DNA Verdrängungsschleife DNA-Polymerase D-Schleife Holliday-Verbindungen Resolvasen Nicht-Crossover-Produkt Crossover-Produkt