Генная конверсия

Аллельная генная конверсия происходит во время мейоза, когда гомологичная рекомбинация между гетерозиготными сайтами приводит к несовпадению азотистых оснований при спаривании. Это несовпадение затем распознаётся и корректируется клеточными механизмами, в результате чего один аллель замещается другим. Такое явление может вызывать неменделевское расщепление аллелей в клетках половой линии^[1].

Рекомбинация происходит не только при мейозе, но также используется как механизм репарации двунитевых разрывов ДНК (DSB, англ. double-strand breaks), возникающих вследствие повреждений ДНК. Обычно такие DSB репарируются с использованием сестринской хроматиды, а не гомологичной хромосомы, поэтому это не приводит к аллельной конверсии. Рекомбинация также может происходить между гомологичными последовательностями, расположенными в разных локусах генома (паралогичные последовательности), которые образовались в результате предшествующих дупликаций генов. Считается, что генная конверсия между паралогичными последовательностями (эктопическая генная конверсия) ответственна за концертированную эволюцию семейств генов^[1][2][3].

Замена одного аллеля на другой зачастую обусловлена репарацией несовпадающих оснований в ходе гомологичной рекомбинации: если одна из четырёх хроматид при мейозе спаривается с другой хроматидой (благодаря гомологии последовательностей), может произойти перенос цепи ДНК, за которым следует репарация несоответствия. Это может изменить последовательность одного из хромосом, делая её идентичной другой.

Мейотическая рекомбинация начинается с образования двунитевого разрыва (DSB). Затем концы 5'-цепей деградируют, оставляя значительные 3'-выступы (сотни нуклеотидов). Один из этих 3'-одноцепочных сегментов инвазирует гомологичную последовательность, формируя промежуточные структуры, которые могут репарироваться по разным путям — с образованием кроссинговера (CO) или без него (NCO). На этапах рекомбинации формируется гетеродуплексная ДНК (двуцепочечная ДНК, составленная из цепей двух хромосом-гомологов, не всегда идеально комплементарных). При наличии несоответствия в гетеродуплексе одна из цепей репарируется, подгоняясь под другую с идеальной комплементарностью, что и ведёт к генной конверсии. Этот процесс репарации может идти двумя альтернативными путями (см. рисунок): по одному из них возникает структура "двойного сочленения Холлидея" (DHJ), влекущая за собой обмен цепями ДНК; другой путь — синтез-зависимое спаривание (SDSA), при котором происходит обмен информацией, но не физическими фрагментами. Генная конверсия произойдёт при пути SDSA, если обе молекулы ДНК гетерозиготны в зоне репарации. Также генная конверсия возможна при DHJ, причём для неё характерен физический обмен ДНК-дуплексами сразу по обе стороны DHJ.

Смещённая генная конверсия — процесс, при котором вероятность передачи одного аллеля в ходе конверсии выше, чем другого. Например, при несовпадении пар T:G шансов исправить разницу до пары C:G больше (или меньше), чем до T:A. В результате этот аллель чаще передаётся следующим поколениям. В случае несмещённой генной конверсии обе вероятности равны.

GC-смещённая генная конверсия (gBGC, англ. GC-biased gene conversion) — процесс, при котором содержание GC-пар в ДНК увеличивается из-за событий генной конверсии во время рекомбинации^[2]. Существуют данные о gBGC у дрожжей и человека, теория проверяется и для других эукариот^[4]. Для анализированных участков ДНК человека обнаружено, что частота кроссинговера положительно коррелирует с содержанием GC-пар; псевдоаутосомные регионы (PAR) X- и Y-хромосом человека, отличающиеся высокой рекомбинацией, также богаты GC^[1]. Отдельные гены млекопитающих, находящиеся в состоянии концертированной эволюции (опероны рибосом, гены тРНК, гены гистонов), содержат много GC-пар. Показано, что содержание GC выше среди паралогичных гистонов у человека и мыши (члены крупных подсемейств, предположительно поддерживающих концертированную эволюцию), чем среди паралогичных гистонов с более уникальными последовательностями^[5]. Имеются указания на существование GC-смещения и на этапе репарации несоответствий; возможно, это адаптация к высокой скорости дезаминирования метил-цитозина, ведущего к C → T-переходам.

Ген Fxy (Mid1) у некоторых близкородственных млекопитающих (человек, крыса, другие виды мышей Mus) локализуется в X-сцепленной области X-хромосомы. Однако у Mus musculus он оказался транслоцирован так, что 3'-конец гена перекрывается с псевдоаутосомной областью X-хромосомы — областью высокой рекомбинации. Эта часть гена характеризуется резким увеличением содержания GC и частоты замен как в третьих позициях кодонов, так и во внутре-генных последовательностях, в отличие от 5'-части, по-прежнему X-сцеплённой. Такое разделение эффекта объясняется именно GC-смещённой генной конверсией, а не селективным давлением^[2].

Содержание GC сильно варьируется в человеческом геноме (40–80%), при этом большие участки обладают в среднем более высоким или низким содержанием GC, чем окружающие регионы^[1]. Эти области, хотя и не имеют чётких границ, известны как изохоры. GC-смещённая генная конверсия в регионах с высокой рекомбинацией считается одной из возможных причин появления GC-богатых изохор.

Изучение генной конверсии позволило глубже понять адаптивную функцию мейотической рекомбинации. Обычный паттерн распределения аллелей (Aa) среди четырёх продуктов мейоза — 2A:2a. Обнаружение редких случаев генной конверсии (например, схемы расщепления 3:1 или 1:3) при анализе отдельных мейозов даёт информацию о различных путях рекомбинации, ведущих к кроссинговеру либо к его отсутствию. Генная конверсия возникает, когда аллели "A" и "a" расположены близко к месту рекомбинационного события. Благодаря этому можно измерять частоту ассоциации генной конверсии с кроссинговером или безкроссинговерными хромосомными участками, за пределами собственно участка конверсии. Проведено множество исследований генной конверсии на различных грибах, хорошо подходящих для подобных экспериментов^[6]. По данным обзоров, большинство событий конверсии не сопровождаются обменом внешними маркёрами. Таким образом, большинство событий генной конверсии при изучении разных грибов связаны с отсутствием кроссинговера. Безкроссинговерная генная конверсия реализуется главным образом через механизм синтез-зависимого спаривания цепей (SDSA)^[7]. Этот процесс ограничен передачей информации без обмена физическими участками ДНК — таким образом, значительной генетической вариабельности не создаётся. Следовательно, теории адаптивной функции мейотической рекомбинации, фокусирующиеся исключительно на создании новой генетической изменчивости или кроссинговера, не могут объяснить большинство событий рекомбинации. Зато преобладание мейотической рекомбинации объясняется гипотезой, что она представляет собой адаптацию для восстановления повреждений ДНК, передаваемых гаметам^[8].

Особый интерес с этой точки зрения имеют работы с дрожжами, показывающие: частота генной конверсии при митозе увеличивается под действием ультрафиолета^[9][10] и ионизирующего излучения^[11].

Для генетических болезней человека известно, что конверсия, опосредованная псевдогенами и приводящая к введению патогенных мутаций в функциональные гены, — распространённый механизм мутагенеза. Однако псевдогены могут также служить матрицами для эволюционно выгодных изменений: в ходе эволюции функциональные исходные гены могли приобретать полезные варианты за счёт копирования фрагментов из пары ген-псевдоген. Такие вариации, возникшие за счёт шаблонов псевдогенов, могут закрепляться естественным отбором, если не оказывают вредного эффекта^[12]. Пример события эволюционно важной генной конверсии — человеческая лектина 11 (SIGLEC 11), иммуноглобулин, связывающий сиаловую кислоту. Сопоставление гена SIGLEC11 у человека и его псевдогена в шимпанзе, бонобо, горилле и орангутане показало, что у человека произошла генная конверсия 5'-области и экзонов, кодирующих сиаловую доменную область, приблизительно в 2 тыс. п.н. из расположенного поблизости псевдогена hSIGLECP16. Совокупность наблюдений свидетельствует о том, что только на линии Homo произошла подобная адаптивная генная конверсия: у человека, в отличие от обезьян, SIGLEC11 экспрессируется в коре головного мозга, а белок приобрёл новую специфичность связывания субстрата^[13]. Хотя ещё неизвестно, насколько часто этот механизм приводит к функционально значимым событиям в эволюции человека, пример SIGLEC11 иллюстрирует возможность селективно выгодных изменений за счёт генной конверсии. Иногда транспозоны в составе части генов могут усиливать вариабельность в семействе и, как следствие, препятствовать генной конверсии из-за снижения степени гомологии, что ведёт к дивергенции.

По данным сравнительных геномных исследований, двунитевые разрывы (DSB) могут репарироваться по меньшей мере двумя родственными путями гомологичной рекомбинации^[12]. В основном используются гомологичные участки с обеих сторон DSB, что соответствует классической "консервативной" модели репарации DSB^[14], изначально предложенной для мейотической рекомбинации у дрожжей^[15]. Второй, менее распространённый путь репарации связан лишь с одной стороной разрыва, что соответствует модели "односторонней инвазии" (неконсервативной)^[16]. Однако в обоих случаях сохраняется идентичность последовательностей рекомбинирующих партнёров. Благодаря высокой степени гомологии новые копии генов после их дупликации склонны к неравному кроссинговеру или направленным односторонним событиям генной конверсии; при этом есть "донорная" и "реципиентная" последовательности, причём реципиент замещается копией фрагмента донора, а донор не изменяется^[13].

Эффективная гомология между взаимодействующими последовательностями обусловливает успешность конверсии. Кроме того, частота конверсии обратно пропорциональна расстоянию между участвующими последовательностями в пределах одной хромосомы^[17][12], а вероятность генной конверсии прямо пропорциональна длине непрерывного фрагмента предполагаемой конверсируемой последовательности. Длины конвертированных участков при кроссинговере обычно выше (среднее ~460 п.н.), чем при бескроссинговерных событиях (среднее 55–290 п.н.)^[18]. Исследования генов глобинов человека показывают, что генная конверсия может усиливаться или подавляться специфическими мотивами, окружающими последовательность. Базовая классификация событий конверсии: интерлокусная (межгенная, неаллельная) и интераллельная. Неаллельные (интерлокусные) события происходят между разными копиями гена на сестринских хроматидах или гомологичных хромосомах; интераллельные — между аллелями на гомологичных хромосомах^[13]. Для интерлокусных событий часто обнаруживается направленность: например, для генов глобинов направление конверсии может коррелировать с уровнями экспрессии участвующих генов — ген "мастер" (с высокой экспрессией) конвертирует ген "слейв" (с низкой экспрессией). Однако более детальный анализ показывает, что высокая экспрессия увеличивает не только вероятность "донорства", но и "акцепции"^[19].

Обычно организм, унаследовавший разные копии гена от родителей, является гетерозиготой. Генотип обозначается как Aa (одна копия аллеля "A" и одна "a"). Когда гетерозигота формирует гаметы в процессе мейоза, аллели обычно распределяются в соотношении 2:2 среди четырёх исходных клеток. При генной конверсии наблюдается соотношение, отличное от 2A:2a (например, 3A:1a или 1A:3a), то есть, например, аллелей A может быть втрое больше, чем a.

Генная конверсия, приводящая к мутации в гене CYP21A2, — одна из частых генетических причин врождённой гиперплазии надпочечников. Соматическая генная конверсия — один из механизмов возникновения семейного ретинобластомы (врождённого рака сетчатки), а также, предположительно, может участвовать в патогенезе болезни Хантингтона.