Genkonvertering er prosessen der en DNA -sekvens erstatter en homolog sekvens slik at sekvensene blir identiske etter konverteringshendelsen . Genkonvertering kan være allel , noe som betyr at en allel av samme gen erstatter en annen allel, eller ektopisk , noe som betyr at en paralog DNA-sekvens konverteres til en annen.
Allel genkonvertering skjer under meiose når homolog rekombinasjon mellom heterozygote steder resulterer i en baseparingsmismatch. Denne mismatchen blir deretter gjenkjent og korrigert av det cellulære maskineriet, noe som får en av allelene til å bli den andre. Dette kan forårsake ikke-mendelsk segregering av alleler i kjønnscellene. [ 1 ]
Rekombinasjon skjer ikke bare under meiose, men også som en mekanisme for reparasjon av dobbeltstrengsbrudd (DSB ) forårsaket av DNA-skade. Disse DSB-ene repareres vanligvis ved å bruke søsterkromatiden til den ødelagte dupleksen og ikke det homologe kromosomet, så de vil ikke resultere i allelisk konvertering. Rekombinasjon forekommer også mellom homologe sekvenser som er tilstede på forskjellige genomiske loci (paraloge sekvenser) som har resultert fra tidligere gendupliseringer. Genkonvertering som skjer mellom paralogiske sekvenser ( ektopisk genkonvertering ) antas å være ansvarlig for den samordnede utviklingen av genfamilier. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
Konvertering av en allel til en annen skyldes ofte base mismatch-reparasjon under homolog rekombinasjon : Hvis en av de fire kromatidene under meiose pares med et annet kromatid, som kan oppstå på grunn av sekvenshomologi , kan det oppstå DNA-trådoverføring etterfulgt av mismatch-reparasjon. Dette kan endre sekvensen til ett av kromosomene slik at det er identisk med det andre.
Meiotisk rekombinasjon initieres av dannelsen av et dobbeltstrengsbrudd (DSB). 5'-endene av bruddet brytes deretter ned, og etterlater 3'-overheng flere hundre nukleotider lange. Ett av disse 3'-enkeltstrengede DNA-segmentene invaderer deretter en homolog sekvens på det homologe kromosomet, og danner et mellomprodukt som kan repareres gjennom forskjellige veier som resulterer i kryssinger (CO) eller ikke-kryssninger (NCO). I ulike trinn av rekombinasjonsprosessen dannes heterodupleks-DNA (dobbelt-trådet DNA som består av enkelttråder fra hver av to homologe kromosomer som kan eller ikke er perfekt komplementære). Når feilparringer oppstår i heterodupleks-DNA, vil sekvensen til den ene tråden reparere seg selv for å forbinde den andre tråden med perfekt komplementaritet, noe som fører til konvertering av en sekvens til en annen. Denne reparasjonsprosessen kan følge en av to alternative veier som illustrert i figuren. Ved en vei dannes en struktur kalt det dobbelte Holliday -krysset (DHJ), som fører til utveksling av DNA-tråder. Ved den andre veien, kjent som Synthesis Dependent Strand Annealing (SDSA), er det informasjonsutveksling, men ingen fysisk utveksling. Genkonvertering vil skje under SDSA hvis de to DNA-molekylene er heterozygote på stedet for rekombinasjonell reparasjon. Genkonvertering kan også forekomme under rekombinasjonell reparasjon som involverer en DHJ, og denne genkonverteringen kan være assosiert med den fysiske rekombinasjonen av DNA-dupleksene på de to sidene av DHJ.
Biased genkonvertering ( BGC ) oppstår når en allel har større sjanse for å være donor enn den andre i en genkonverteringshendelse. For eksempel, når en T:G-mismatch oppstår, vil et C:G-par være mer eller mindre sannsynlig å bli korrigert enn et T:A-par. Dette gir det allelet en høyere sjanse for å bli gitt videre til neste generasjon. Uhildet genkonvertering betyr at begge mulighetene oppstår med like stor sannsynlighet.
GC-biased genkonvertering (gBGC) er prosessen der GC-innholdet i DNA øker på grunn av genkonvertering under rekombinasjon. [ 2 ] Bevis for gBGC eksisterer for gjær og mennesker, og teorien har nylig blitt testet i andre eukaryote linjer. [ 4 ] I analyserte humane DNA-sekvenser er det funnet at crossover-hastighet korrelerer positivt med GC-innhold. De pseudoautosomale regionene (PAR) av X- og Y-kromosomene hos mennesker, som er kjent for å ha høye rekombinasjonshastigheter, har også høyt GC-innhold. [ 1 ] Visse pattedyrgener som gjennomgår samordnet evolusjon (for eksempel ribosomale operoner, tRNA-er og histongener) er svært rike på GC. GC-innhold har vist seg å være høyere i mus og humane paraloge histongener som er medlemmer av store underfamilier (antagelig i samordnet evolusjon) enn i paraloge histongener med relativt unike sekvenser. [ 5 ] Det er også bevis på GC-bias i reparasjonsprosessen for mismatch. Dette antas å være en tilpasning til den høye deamineringshastigheten av metyl-cytosin som kan føre til C → T-overganger.
BGC av Fxy-genet i Mus musculusFxy- eller Mid1-genet hos noen pattedyr som er nært beslektet med husmus (mennesker, rotter og andre Mus-arter) er lokalisert på den kjønnsbundne regionen av X-kromosomet. I Mus musculus har det imidlertid nylig blitt translokert slik at 3'-enden av genet overlapper med PAR-regionen til X-kromosomet, som er kjent for å være et rekombinasjonshot spot. Denne delen av genet har gjennomgått en dramatisk økning i GC-innhold og substitusjonshastighet ved den tredje kodonposisjonen så vel som i introner, men 5'-regionen av genet, som er X-bundet, har ikke. Fordi denne effekten bare er til stede i området av genet som opplever en høyere rekombinasjonshastighet, må det skyldes partisk genkonvertering og ikke selektivt trykk. [ 2 ]
Virkningen av GC-biased genkonvertering på menneskelige genomiske mønstreGC-innholdet varierer mye i det menneskelige genomet (40-80%), men det ser ut til å være store deler av genomet der GC-innholdet i gjennomsnitt er høyere eller lavere enn andre regioner. [ 1 ] Disse områdene, selv om de ikke alltid viser klare grenser, er kjent som isokorer. En mulig forklaring på tilstedeværelsen av GC-rike isokorer er at de utviklet seg på grunn av GC-skjev genkonvertering i regioner med høye nivåer av rekombinasjon.
Genkonverteringsstudier har bidratt til vår forståelse av den adaptive rollen til meiotisk rekombinasjon. Det vanlige segregeringsmønsteret til et allelpar (Aa) blant de 4 produktene av meiose er 2A:2a. Påvisning av sjeldne genkonverteringshendelser (f.eks. 3:1 eller 1:3 segregeringsmønstre under individuell meiose) gir innsikt i alternative rekombinasjonsveier som fører til kryssover eller uncrossover kromosomer. Genkonverteringshendelser antas å oppstå når "A" og "a" allelene er nær den nøyaktige plasseringen av en molekylær rekombinasjonshendelse. Dermed er det mulig å måle frekvensen med hvilken genkonverteringshendelser er assosiert med kryssing eller ikke-kryssing av tilstøtende kromosomale regioner, men utenfor den umiddelbare konverteringshendelsen. Det er utført en rekke genkonverteringsstudier på ulike sopp (som er spesielt godt egnet for slike studier). [ 6 ] Det er klart fra denne gjennomgangen at de fleste genkonverteringshendelser ikke er assosiert med utveksling av eksterne markører. Derfor er de fleste genkonverteringshendelsene i de forskjellige soppene som er studert assosiert med ikke-kryssing av eksterne markører. Ikke-kryssende genkonverteringshendelser forekommer primært ved synteseavhengig streng-annealing (SDSA). [ 7 ] Denne prosessen innebærer begrenset informasjonsutveksling, men ingen fysisk utveksling av DNA, mellom de to deltakende homologe kromosomene på stedet for konverteringshendelsen, og liten genetisk variasjon forekommer. Dermed virker forklaringer på den adaptive rollen til meiotisk rekombinasjon som utelukkende fokuserer på den adaptive fordelen ved å produsere ny genetisk variasjon eller fysisk utveksling utilstrekkelig til å forklare de fleste rekombinasjonshendelser under meiose. Imidlertid kan de fleste meiotiske rekombinasjonshendelser forklares med forslaget om at de er en tilpasning for DNA-skadereparasjon som skal overføres til kjønnsceller. [ 8 ]
Av spesiell interesse, fra det synspunkt at rekombinasjon er en tilpasning for DNA-reparasjon, er studier i gjær som viser at genkonvertering i mitotiske celler økes av UV [ 9 ] [ 10 ] og ioniserende stråling. [ 11 ]
I diskusjoner om genetiske sykdommer hos mennesker er pseudogenmedierte genkonverteringer som introduserer patogene mutasjoner i funksjonelle gener en velkjent mekanisme for mutasjon. Snarere er det mulig at pseudogenene fungerer som maler. I løpet av evolusjonen har funksjonelle kildegener som potensielt er fordelaktige blitt avledet fra flere kopier av deres enkeltkildegen. Endringer basert på pseudogene maler kan til slutt bli fikset så lenge de ikke hadde noen skadelige effekter. [ 12 ] Dermed kan faktisk pseudogener fungere som kilder til sekvensvarianter som kan overføres til funksjonelle gener i nye kombinasjoner og påvirkes ved seleksjon . Lectin 11 ( SIGLEC 11), et humant immunglobulin som binder sialinsyre, kan betraktes som et eksempel på en genkonverteringshendelse som har spilt en viktig rolle i evolusjonen. Ved å sammenligne de homologe genene til human SIGLEC11 og dets pseudogen i sjimpansen , bonoboen, gorillaen og orangutangen , ser det ut til at det var genkonvertering av sekvensen til 5'-regionene og eksonene som koder for sialinsyregjenkjenningsdomenet, omtrent 2 kbp av hSIGLECP16 pseudogen som flankerer det tett. Alle de tre bevisene knyttet til denne hendelsen har sammen antydet at dette er en adaptiv endring som er svært viktig fra et evolusjonært synspunkt i slekten Homo . Disse inkluderer at bare i den menneskelige avstamningen skjedde denne genetiske konverteringen, hjernebarken har oppnådd betydelig uttrykk for SIGLEC11 spesifikt i den menneskelige avstamningen, og viser en endring i substratbinding i den menneskelige avstamningen sammenlignet med den til motparten hos sjimpanser. Selvfølgelig er frekvensen av bidrag fra denne pseudogenmedierte genkonverteringsmekanismen til funksjonelle og adaptive endringer i menneskelig evolusjon fortsatt ukjent og knapt utforsket så langt. [ 13 ] Til tross for dette kan introduksjonen av positivt selektive genetiske endringer ved en slik mekanisme tas i betraktning ved eksempelet SIGLEC11. Noen ganger på grunn av interferens av transponerbare elementer i noen medlemmer av en genfamilie, forårsaker det variasjon mellom dem, og til slutt kan det også stoppe genkonverteringshastigheten på grunn av mangel på sekvenslikhet som fører til en evolusjon .divergent .
Fra ulike analyser av genomet ble det konkludert med at dobbeltstrengsbrudd (DSB) kan repareres ved homolog rekombinasjon via minst to forskjellige, men beslektede veier. [ 12 ] I tilfelle av en hovedvei, vil homologe sekvenser på begge sider av DSB bli brukt som ser ut til å være analoge med den konservative modellen for DSB-reparasjon [ 14 ] som opprinnelig ble foreslått for meiotisk rekombinasjon i gjær, [ 15 ] hvor, ettersom den mindre veien er begrenset til bare én side av DSB, som postulert av den ikke-konservative ensidige invasjonsmodellen. [ 16 ] Imidlertid vil sekvensen til rekombinasjonspartnerne i begge tilfeller være absolutt bevart. I kraft av deres høye grad av homologi, har nye genkopier som oppsto etter genduplisering naturlig nok en tendens til ulik overkrysning eller ensrettet genkonvertering. I sistnevnte prosess eksisterer akseptor- og donorsekvensene og akseptorsekvensen vil bli erstattet av en sekvens kopiert fra giveren, mens donorsekvensen forblir uendret. [ 13 ]
Den effektive homologien mellom de interagerende sekvensene gjør genkonverteringshendelsen vellykket. Videre er frekvensen av genkonvertering omvendt proporsjonal med avstanden mellom de cis-interagerende sekvensene, [ 17 ] [ 12 ] og hastigheten på genkonvertering er vanligvis direkte proporsjonal med lengden på den uavbrutt sekvensen i den antatte konverterte region. Det ser ut til at konverteringsstrekningene som følger med crossoveren er lengre (gjennomsnittlig lengde = ~460 bp) enn konverteringsstrekningene uten crossover (gjennomsnittlig lengde = 55–290 bp). [ 18 ] I studier av humane globulingener har det lenge vært støttet at genkonverteringshendelsen eller grenmigrasjonshendelsen kan fremmes eller hemmes av de spesifikke motivene som eksisterer i nærheten av globulinsekvensen.DNA. En annen grunnleggende klassifisering av genkonverteringshendelser er interlocus (også kalt ikke-allelisk) og interallelisk genkonvertering. Ikke-alleliske eller interlocus cis- eller transgenomdannelseshendelser forekommer mellom kopier av ikke-alleliske gener som befinner seg på søsterkromatider eller homologe kromosomer, og, i tilfelle av interallelle, skjer genkonverteringshendelser mellom alleler som befinner seg på homologe kromosomer. [ 13 ] Sammenligning av interlocus-genkonverteringshendelser vil ofte avsløre at de viser partisk retning. Noen ganger, som i tilfellet med humane globin-gener, korrelerer genets konverteringsretning med de relative ekspresjonsnivåene til genene som er involvert i hendelsen, med genet uttrykt på et høyere nivå, kalt 'master'-genet. ', konverterer det til et lavere uttrykk, kalt et 'slave'-gen. Opprinnelig formulert i en evolusjonær kontekst, må 'mester/slave-gen'- regelen forklares med forsiktighet. Faktisk viser økningen i gentranskripsjon ikke bare økningen i sannsynligheten for at den vil bli brukt som en donor, men også som en akseptor. [ 19 ]
Vanligvis kalles en organisme som har arvet forskjellige kopier av et gen fra hver av sine foreldre en heterozygot. Dette er generisk representert som genotype: Aa (dvs. en kopi av variant ( allel ) 'A' og en kopi av allel 'a'). Når en heterozygot skaper kjønnsceller ved meiose , dupliserer allelene normalt og ender opp i forholdet 2:2 i de resulterende 4 cellene som er direkte produkter av meiose. Ved genkonvertering observeres imidlertid et annet forhold enn forventet 2A:2a, hvor A og a er de to allelene. Noen eksempler er 3A:1a og 1A:3a. Med andre ord kan det for eksempel være tre ganger så mange A-alleler som det er alleler uttrykt i dattercellene, slik tilfellet er med 3A:1a.
Genetisk konvertering som resulterer i CYP21A2 -genmutasjon er en vanlig underliggende genetisk årsak til medfødt binyrehyperplasi . Somatisk genkonvertering er en av mekanismene som kan resultere i familiært retinoblastom , en medfødt netthinnekreft , og det er teoretisert at genkonvertering kan spille en rolle i utviklingen av Huntingtons sykdom .