Wie wählt die molekulare Maschinerie aus, wo ein Chromosom für die Rekombination geschnitten wird?

Bei Menschen und Mäusen läuft vieles davon auf die Erkennung einer bestimmten Sequenz hinaus, die Rekombinations-Hotspots durch PRDM9 markiert . http://www.sciencemag.org/content/327/5967/836

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Die meiotische Rekombination tritt an einigen Stellen im Genom mit weitaus größerer Häufigkeit auf als an anderen, und diese werden als Rekombinations-Hotspots bezeichnet. Zum Beispiel die Abbildung hier, bezogen von http://www.sciencemag.org/content/327/5967/876/F1.large.jpg

zeigt die Rekombinationsrate am Hotspot und weiter davon entfernt für Schimpansen und Menschen.

Diese Hotspots werden von der Schneidemaschine dank der Bindung von PRDM9, einem Zinkfingerprotein, an eine DNA-Sequenz erkannt, die es spezifisch erkennt und an Hotspots vorhanden ist. Die DNA-Sequenz variiert von Art zu Art (ebenso wie die Sequenz und die Funktion von PRDM9), aber beim Menschen handelt es sich um ein gut charakterisiertes Motiv, das 13 Basenpaare lang ist und die Sequenz CCNCCNTNNCCNC hat (wobei N eine der 4 Basen in der DNA ist). , und macht die Aktivität von fast 40 % der bekannten Hotspots aus.

Der erste Link, den ich gepostet habe, enthält Hinweise darauf, dass die Variation in der Zusammensetzung von PRDM9 eine Determinante dafür ist, welche Hotspots verwendet werden. PRDM9, so scheint es, stimuliert die Bildung einer spezifischen Histonmodifikation – H3k4me3 (DNA ist um Histone gewickelt, es gibt fünf Histone – H1, H2A, H2B, H3, H4, und jeder von ihnen hat einen Schwanz, der chemisch modifiziert werden kann, und acht davon (2 von H2A, 2 von H2B, 2 von H3 und 2 von H4) bilden ein Nukleosom – in diesem Fall ist der vierte Lysinrest des Schwanzes von Histon H3 trimethyliert, wie durch PRDM9 reguliert, und erleichtert das Überqueren und Rekombinationsinitiierung Zusammenfassung bearbeiten

Die Frage ist sehr umfassend und kompliziert, da die Situation bei Prokaryoten und Eukaryoten unterschiedlich sein kann. Trotzdem zitiere ich ein gutes Papier, das eng mit Ihrer Frage zusammenhängt:

Studien an Hefe zeigen, dass die Initiierung der Rekombination, die durch die Bildung von DNA-Doppelstrangbrüchen erfolgt, die Verteilung von Genumwandlungs- und Crossover-Ereignissen bestimmt, die in nahegelegenen Intervallen stattfinden. Jüngste Daten bei Menschen und Mäusen weisen auch auf das Vorhandensein von stark lokalisierten Initiationsstellen hin, die Kreuzungen fördern, die um die Initiationsregion gruppiert sind, und scheinen gemeinsame Merkmale mit Stellen in Hefe zu haben. In größerem Maßstab wurden chromosomale Domänen mit unterschiedlichen Rekombinationsraten von Hefe bis zu Säugetieren identifiziert. Dies weist auf eine höhere Regulierung der Rekombination im Genom hin, mit möglichen Folgen für die Genomstruktur... ...DSBs (Double Strand Breaks) treten in stark lokalisierten Regionen auf und verteilen sich über 70–250 bp. Die DNA-Sequenzanalyse zeigt keine einzigartigen konservierten Konsensussequenzen, obwohl ein degeneriertes 50-bp-Motiv teilweise mit DSB-Stellen korreliert. Ein gemeinsames Merkmal ist jedoch, dass sich DSBs in zugänglichen Regionen des Chromatins neben Promotoren oder Bindungsstellen für Transkriptionsfaktoren befinden. Basierend auf zwei Studien korreliert die DSB-Aktivität nicht mit der lokalen Transkriptionsaktivität, sondern hängt von der Transkriptionsfaktorbindung ab (HIS4 in S. cerevisiae und ade6-M26 in S. pombe).

Bernard de Massy, ​​Verteilung meiotischer Rekombinationsstellen. TRENDS in Genetics Vol.19 No.9 September 2003

Ich fasse das in einer antwortähnlicheren Form zusammen. Scheint, als ob der Prozess nicht zufällig ist, da die Doppelstrangbruchereignisse eindeutig nicht gleichmäßig über ein Genom verteilt sind. Wie das Papier sagt, wurden bisher keine spezifischen Konsensmotive gefunden, obwohl es eindeutig etwas Besonderes vor Promotoren und TF-Bindungsstellen gibt, was sie wahrscheinlicher zu einer Bruchstelle macht. Wie wählt die Maschinerie den Ort aus? Noch einmal, wie das Papier sagt, hängt das Breaking Event von der TF-Bindung ab. Aber das ist für S. cerevisiae. Es gibt 17 Hotspots, die in menschlichen und Mäusegenomen gefunden wurden, von denen einige intergenisch sind (sie besetzen Introns oder 5'/3'-flankierende Regionen).

Hier ist die Verteilung der Rekombinationshäufigkeiten über ein Chromosom (die Abbildung stammt aus dem Papier).

Hier ist eine Liste von Rekombinationsstellen bei Menschen und Mäusen

Bei der Meiose findet eine homologe Rekombination statt. Zwei Spo11-Proteine ​​verwenden Tyrosine, um einen Doppelstrangbruch in der DNA zu induzieren. Spo11 hat keine spezifische Spaltstelle . Die Spaltung durch Spo11 führte jedoch zur Entdeckung von Spo11-Oligonukleotid-Komplexen (Spo11 mit angehängtem Oligonukleotid nach der Spaltung), die „Hotspots“ zugeordnet werden konnten, die in der verknüpften Studie eine Reihe von diskriminierenden Faktoren für die Spo11-Spaltung bei der Meiose finden:

Von den genauen Positionen der 2,2 Millionen Spo11-Oligonukleotidsequenzen haben Pan et al. [1] zeigten, dass die lokale DNA-Zusammensetzung auch die Spo11-Spaltstellen beeinflusst. Wie von früheren Studien erwartet, hat Spo11 keine spezifische Erkennungs- oder Spaltungsstelle. Es wurden jedoch Sequenzverzerrungen festgestellt: Die 10 bis 12 bp, die die Spaltstelle umgeben und von denen vorhergesagt wird, dass sie direkt von Spo11 gebunden werden, sind relativ AT-reich, was relativ enge und tiefe Helixfurchen vorhersagt, die dem gebundenen Spo11-Dimer zugewandt sind. Die Spaltung bevorzugt Stellen unmittelbar 3' von einem C und benachteiligt G an derselben Position. Auch innerhalb eines 32-bp-Kerns, der die Spo11-Spaltstellen umgibt, kann eine zweifache Rotationssymmetrie für die komplementäre Dinukleotidzusammensetzung erkannt werden, was auf getrennte Beiträge der flankierenden "halben Stellen" zur Spo11-Bindung und/oder -Spaltung hindeutet. Zusätzlich, Spaltstellen sind mit positionierten Nukleosomen negativ korreliert. In ähnlicher Weise wird Spo11 im Allgemeinen von Spaltungsstellen verschlossen, an denen Transkriptionsfaktoren gebunden sind, obwohl die Bindungsstellen mehrerer verschiedener Transkriptionsfaktoren positiv mit Hotspot-Stellen korrelieren.

Während alle obigen Antworten richtig und aufschlussreich für den Prozess der DSB-Bildung sind, hat die Rekombination eine weitere Ebene der Komplexität.

Die Vermittlung der richtigen Chromosomentrennung ist wahrscheinlicher der eigentliche Punkt von Crossovers , da Crossovers immer noch in Inzuchtgenomen vorkommen, die nicht zu neuen Haplotypen führen. CO erzeugt eine Heteroduplex-Struktur zwischen DNA-Strängen, Holliday-Verbindungen. Diese Struktur erzeugt Spannungskräfte, die erforderlich sind, um den Kontrollpunkt der Spindelanordnung zu passieren, bevor die meiotische Zelle in die Anaphase übergehen kann (siehe Artikel von Nicklas Arbeit an Heuschreckenchromosomen und Hirose et al. 2011). In den meisten* Organismen wird mindestens ein CO pro Chromosomenarm benötigt, um den Kontrollpunkt der Spindelmontage zu passieren und eine ordnungsgemäße Disjunktion zu vermitteln. Fehlende COs oder falsch platzierte COs können zu einer Nicht-Disjunktion und einem erhöhten Risiko für Aneuploidie führen (Hassold, Hall, Hunt 2007). (*Eine Ausnahme sind männliche Drosophila melanogaster, die einen CO-unabhängigen Chromosomensegregationsweg haben).

Zusätzlich ist zu beachten, dass DSB =/= COs, dh nicht alle DSBs in COs umgewandelt werden. In allen Organismen überwiegen DSB die resultierenden COs. Die Mehrheit der DSBs wird in Non-Crossovers (NCOs) aufgelöst. Es gibt neue Beweise (zumindest bei Mäusen), dass diese Zahlen nicht proportional sind. Das heißt, wenn die Gesamt-DSBs im Genom reduziert werden, bleibt die Gesamt-CO-Zahl unbeeinflusst. (Cole et al. 2012).

Ich denke, eine interessantere Formulierung Ihrer Frage wäre: Wie wählt das Genom aus, welche DSBs in COs oder NCOs aufgelöst werden ?