7.10
Konwersja genów
Oprócz utrzymywania stabilności genomu poprzez naprawę DNA, rekombinacja homologiczna odgrywa ważną rolę w różnicowaniu genomu. W rzeczywistości rekom…
W przeciwieństwie do mitozy, w której pęknięcia dwuniciowe są przypadkowe, w mejozie są one tworzone przez enzym zwany Spo11, który rozszczepia szkielet fosfodiestru. Złamane spiralne końce są przycinane przez kompleks białkowy o nazwie MRX, a uszkodzenia są naprawiane w procesie zwanym konwersją genów.
W tym przypadku uszkodzona nić DNA "akceptora" atakuje homologiczny dupleks DNA "dawcy", tworząc pętlę przemieszczenia. W ten sposób powstają regiony heterodupleksowego DNA, w których nić z DNA dawcy łączy się z komplementarną nicią z DNA akceptora.
Polimeraza DNA wydłuża inwazyjną nić, a przedłużona pętla D następnie łączy się z wolnym ogonem 3′. Synteza DNA w nowo wychwyconej nici powoduje powstanie produktu pośredniego z dwiema czteroniciowymi strukturami zwanymi połączeniami Holliday'a.
Ten podwójny łącznik Hollidaya jest rozwiązywany przez enzymy naprawy DNA zwane resollawazami i istnieją dwie orientacje, w których połączenia mogą zostać rozszczepione. W pierwszym resolwaza nacina każde połączenie poziomo, tak aby nici rodzicielskie były nadal nienaruszone.
Powoduje to powstanie produktu bez krzyżowania, nazwanego tak dlatego, że nici po zerwaniu pozostają ze swoim pierwotnym partnerem i nie ma poważnego skrzyżowania nici dawcy i akceptora.
Alternatywnie, jeśli rozszczepienie następuje pionowo, obszary otaczające uszkodzenie są zamieniane, co prowadzi do produktu krzyżowego, w którym nić donorowa po zerwaniu rekombinuje się z nicią akceptorową.
Konwersja genów ma znaczący wpływ na różnorodność genomu. W organizmach rozmnażających się płciowo potomstwo dziedziczy jeden zestaw genów od ojca i jeden zestaw genów od matki.
Rodzicielskie zestawy DNA rekombinują, a chromatydy siostrzane ulegają konwersji genów. Powoduje to, że potomstwo ma nowe chromosomy w porównaniu z chromosomami rodziców.
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.