Механизмы и биологическое значение рекомбинации
Естественная рекомбинация неразрывно связана с процессом полового размножения. Главными факторами образования генетического разнообразия выступают кроссинговер (обмен участками хромосом) и случайное, свободное сочетание гамет при оплодотворении.
В результате этих процессов происходит перетасовка уже существующего генетического материала. Новые сочетания одного и того же исходного набора аллелей приводят к совершенно иным генотипическим и фенотипическим эффектам у потомства. Именно эта комбинативная изменчивость поставляет непрерывный поток элементарного материала для эволюционных изменений.
Генетическая трансформация и создание трансгенных организмов
Помимо естественной рекомбинации, существует процесс направленного генетического изменения — трансформация. Она подразумевает перенос определенного гена (генную модификацию) от организма-донора к организму-реципиенту. Итогом такого вмешательства становится появление трансгенных организмов.
В экспериментальной биологии и животноводстве этот метод применяется для передачи организмам полезных признаков.
Этапы экспериментальной трансформации у животных:
- Извлечение нужного гена из ДНК донора.
- Введение чужеродной ДНК в оплодотворенную яйцеклетку (зиготу) животного-реципиента.
- Имплантация модифицированной зиготы в матку суррогатной матери.
Классическим примером успешной трансформации служит эксперимент, в котором ген гормона роста крысы был интегрирован в зиготы мышей. В результате у трети полученного потомства данный ген проявился фенотипически — мыши значительно увеличились в размерах.
Трансдукция: обмен генами у бактерий
У прокариот обмен генетической информацией часто происходит посредством трансдукции — переноса генетического материала от одной бактериальной клетки к другой с помощью вирусов бактерий (бактериофагов).
В природных условиях фаги способны захватывать фрагменты бактериальной ДНК и передавать их новым клеткам при инфицировании. Таким образом микроорганизмы могут приобретать новые, критически важные для выживания признаки:
- Способность синтезировать специфические вещества.
- Резистентность (устойчивость) к антибиотикам.
- Появление подвижности.
Ярким клиническим примером роли трансдукции является изменение патогенных свойств бактерий. Так, штамм Clostridium botulinum (известный как возбудитель ботулизма) при заражении специфическим бактериофагом может трансформироваться в другой штамм Clostridium, который вызывает развитие газовой гангрены.
Роль некодирующих последовательностей в эволюции
Долгое время считалось, что эволюция видов опирается преимущественно на мутации в генах, кодирующих белки. Однако сравнительный анализ геномов, проведенный в 2007 году, заставил пересмотреть эту концепцию. Исследователи сравнили геном короткохвостого опоссума с геномами плацентарных млекопитающих (человека, мыши, крысы и собаки).
Ключевые выводы исследования:
- Основным драйвером эволюции млекопитающих стали не модификации белок-кодирующих генов, а появление новых некодирующих регуляторных последовательностей.
- Анализ консервативных участков показал, что как минимум 16% новых регуляторных элементов, возникших у плацентарных, сформировались из фрагментов мобильных генетических элементов.
Таким образом, формирование эволюционных новшеств на базе мобильных элементов является скорее фундаментальным правилом, чем редким исключением.
Коротко: ответы на вопросы по теме
Какие механизмы обмена генетической информацией существуют у прокариот, помимо трансдукции?
Помимо трансдукции, у прокариот существуют два механизма переноса генетического материала: трансформация и конъюгация.
- Трансформация — поглощение клеткой изолированного экстракта ДНК из окружающей среды; контакт клеток при этом отсутствует.
- Конъюгация — прямой перенос генетического материала между клетками при физическом контакте, при котором происходит образование цитоплазматического мостика.
Какие ферменты обеспечивают процесс молекулярного кроссинговера?
Процесс молекулярного кроссинговера обеспечивает рекомбиназа — комплекс ферментов.
- Рекомбиназа осуществляет разрезание и сшивание нитей ДНК в процессе рекомбинации.
Этот комплекс располагается поперек синаптонемного комплекса, продвигается по петлям ДНК и выполняет функцию тщательной репарации: разрыв и сшивку цепей ДНК. Механизм включает образование двухцепочечных разрывов в обеих петлях ДНК и их последующее перекрестное сшивание, при котором конец одной петли соединяется с соответствующим концом другой.
Чтобы не путать механизмы переноса, используйте ассоциации: ТрансФОРМАция — изменение ФОРМЫ (перенос в зиготу для изменения фенотипа), ТрансДУКция — вирусный проДУКТ (перенос бактериофагами).
Вопросы с занятий и экзамена
В результате какого вида изменчивости образуется элементарный эволюционный материал при рекомбинации?
Он образуется в результате комбинативной изменчивости, механизмами которой являются кроссинговер и свободное сочетание гамет.
В какие клетки вводят чужеродную ДНК при создании трансгенных животных?
Вектор с нужным геном внедряют непосредственно в оплодотворенную яйцеклетку — зиготу.
Что такое трансдукция?
Это процесс переноса генетического материала между бактериальными клетками, который осуществляется при участии бактериофагов.
За счет чего в основном происходила эволюция плацентарных млекопитающих?
Согласно исследованиям, ключевую роль сыграло появление новых некодирующих регуляторных последовательностей, возникших из мобильных генетических элементов.
Что ещё разобрать по теме
- Механизмы комбинативной изменчивости и кроссинговера
- Жизненный цикл бактериофагов и этапы трансдукции
- Свойства и виды мобильных генетических элементов
- Методы генной инженерии в сельском хозяйстве
- Патогенез инфекций, вызываемых бактериями рода Clostridium
Разберите тему целиком в курсе «Биология»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Рекомбинация генов» и ещё 3 793 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 124 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Элементарные эволюционные факторы»
Бесплатные видеоуроки: биологияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.