7.10
מלבד שמירה על יציבות הגנום באמצעות תיקון DNA, לרקומבינציה הומולוגית תפקיד חשוב בגיוון הגנום. למעשה, השילוב מחדש של רצפים מהווה את הבסיס המולקולרי של ה…
בניגוד למיטוזה שבה שברים דו-גדיליים הם מקריים, במיוזה, הם נוצרים על ידי אנזים בשם Spo11, אשר חותך את עמוד השדרה של פוספודיסטר. הקצוות הסליליים השבורים נחתכים על ידי קומפלקס חלבונים הנקרא MRX והנזק מתוקן על ידי תהליך שנקרא המרת גנים.
כאן גדיל הדנ"א ה"מקבל" הפגוע פולש לדופלקס דנ"א הומולוגי "תורם" ויוצר לולאת עקירה. זה יוצר אזורים של דנ"א הטרודופלקס שבהם גדיל מהדנ"א של התורם מתחבר עם גדיל משלים מהדנ"א המקבל.
DNA פולימראז מרחיב את הגדיל הפולש, ולולאת D המורחבת מתחברת לזנב ה-3′ החופשי. סינתזת דנ"א בגדיל החדש שנלכד, גורמת להיווצרות מתווך עם שני מבנים בעלי ארבעה גדילים הנקראים צמתים של הולידיי.
צומת הולידיי כפול זה נפתר על ידי אנזימי תיקון DNA הנקראים רזולוואסים וישנם שני כיוונים בהם ניתן לבקע את הצמתים. בראשון, ה-resolvase מנקב כל צומת בצורה אופקית כך שגדילי ההורים עדיין שלמים.
התוצאה היא מוצר שאינו מוצלב, שנקרא כך משום שהגדילים לאחר ההפסקה נשארים אצל בן זוגם המקורי, ואין מעבר משמעותי של גדילי התורם והמקבל.
לחילופין, אם המחשוף מתרחש במאונך, האזורים הצמודים לנזק מתחלפים ומובילים למכפלה מוצלבת, שבה גדיל התורם לאחר השבר מתחבר מחדש עם גדיל המקבל.
להמרת גנים יש השפעה משמעותית על המגוון הגנומי. באורגניזמים המתרבים מינית, הצאצא יורש קבוצה אחת של גנים מהאב וקבוצה אחת מהאם.
ערכות הדנ"א ההורי מתחברות מחדש והכרומטידים האחיות עוברים המרה גנטית. התוצאה היא שלצאצאים יש כרומוזומים חדשים בהשוואה לאלה של ההורים.
Q1: How does gene conversion repair double-strand breaks during meiosis?
Gene conversion repairs double-strand breaks created by Spo11 enzyme during meiosis. The damaged acceptor DNA strand invades a homologous donor DNA duplex, forming a displacement loop. DNA polymerase extends the invading strand, creating heteroduplex DNA regions where donor and acceptor strands pair. This process ultimately resolves into either crossover or non-crossover products through Holliday junction cleavage.
Q2: What are Holliday junctions and how are they resolved?
Holliday junctions are four-strand DNA structures formed during gene conversion when the extended D-loop pairs with the free 3' tail. Two Holliday junctions create an intermediate structure that resolvase enzymes cleave in two possible orientations. Horizontal cleavage produces non-crossover products where parental strands remain intact, while vertical cleavage generates crossover products with recombined donor and acceptor strands.
Q3: What is the difference between crossover and non-crossover products in gene conversion?
Non-crossover products result from horizontal Holliday junction cleavage, keeping parental strands with their original partners without major strand exchange. Crossover products arise from vertical cleavage, causing regions flanking the damage to switch, so donor strands recombine with acceptor strands. Both outcomes contribute to genomic diversity but through different recombination patterns.
Q4: How does gene conversion contribute to genomic diversity in offspring?
Gene conversion increases genomic diversity by recombining parental DNA sets during meiosis. Offspring inherit one gene set from each parent, and sister chromatids undergo gene conversion, creating novel chromosomes different from either parent. This recombination of sequences forms the molecular basis of genomic evolution, generating new amalgamated sequences that determine cell fitness and survival.
Q5: What role do the MRX protein complex and Spo11 enzyme play in gene conversion?
Spo11 enzyme deliberately creates double-strand breaks during meiosis by cleaving the phosphodiester backbone, unlike accidental breaks in mitosis. The MRX protein complex then trims the broken helical ends, preparing them for repair. Together, these proteins initiate the gene conversion process that repairs damage while promoting genetic recombination and diversity.
Q6: What is heteroduplex DNA and how does it form during gene conversion?
Heteroduplex DNA forms when a strand from donor DNA pairs with a complementary strand from acceptor DNA during gene conversion. This occurs after the acceptor strand invades the donor duplex and creates a displacement loop. The heteroduplex regions represent mismatched base pairing between the two DNA sources, which DNA polymerase extends to complete the repair process.
Q7: How do alleles and phenotypes change through gene conversion in offspring?
Gene conversion alters the distribution of alleles between homologous chromosomes, changing a gene's form or manifestation in offspring. Minor sequence differences between homologous chromosomes don't affect gene function but determine which allele is expressed. For example, a hair color gene's allele determines whether hair is black, blonde, or red, and gene conversion redistributes these allelic variants among offspring.