Гомологи́чная рекомбина́ция, тип генетической рекомбинации, во время которой происходит обмен нуклеотидными последовательностями между двумя идентичными хромосомами. Наиболее широко используемый клетками способ устранения одно- и двухцепочечных повреждений ДНК, в том числе для продолжения репликации в случае остановки репликационной вилки (у эукариот, бактерий и архей). Является одним из основных источников наследственной изменчивости у всех живых организмов за счёт участия в процессе кроссинговера в ходе мейоза и при формировании гамет у эукариот, что определяет важную роль гомологичной рекомбинации в эволюции и онтогенетической изменчивости.

Механизмы гомологичной рекомбинации

У прокариот и вирусов гомологичная рекомбинация участвует в горизонтальном переносе генов, в результате чего обмен гомологичными участками ДНК происходит между неродственными организмами посредством трансформации, трансдукции и конъюгации. У прокариот известно несколько различных систем рекомбинации, но основным считается путь RecBCD (Bianco. 2021).

У эукариот передача генетической информации может происходить несколькими способами: без физического обмена, тогда часть генетического материала копируется из одной хромосомы в другую без изменения донорской хромосомы, – зависимый от синтеза отжиг цепей (англ. synthesis-dependent strand annealing, SDSA); посредством разрушения и воссоединения цепей ДНК, которые образуют новые молекулы ДНК, – репарация двухцепочечных разрывов (англ. double-strand break repair, DSBR) (Mimitou. 2009); восстановление двухцепочечных разрывов между двумя повторяющимися последовательностями – одноцепочечный отжиг (англ. single-strand annealing, SSA) (Blasiak. 2021).

История открытия и изучения

В 1911 г. американский генетик Т. Х. Морган описал явление кроссинговера у плодовой мушки (Drosophila melanogaster).

В 1964 г. молекулярный биолог Р. Холлидей на основе исследований кукурузной (пузырчатой) головни (Ustilago maydis) и пекарских дрожжей (Saccharomyces cerevisiae) предложил модель четырехцепочечной нуклеотидной структуры, соединяющей две структуры дуплексной (двухцепочечной) ДНК. Модель, позже названная соединением (структурой) Холидея, объясняла молекулярный механизм обмена цепями ДНК при гомологической рекомбинации, репарации, конверсии генов и хромосомном кроссинговере, а также продемонстрировала значительную роль этой структуры в стабилизации генома.

 В 1975 г. американские молекулярные биологи М. Мезельсон и Ч. Раддинг добавили в первоначальную схему процессы вторжения цепи ДНК и создания D-петли.

В 1980-х гг. предложены альтернативные механизмы гомологичной рекомбинации: модели репарации двухцепочечного разрыва и одноцепочечного отжига (англ. single-strand annealing, SSA), а также вероятный механизм образования двух соседних соединений Холлидея при мейотической рекомбинации.

На данный момент учёные исследуют влияние экспрессии различных белков, участвующих в процессах гомологической рекомбинации, на процессы кроссинговера, соединения хромосом и увеличения генетического разнообразия.

Применение результатов современных исследований

Механизмы гомологичной рекомбинации совместно с системой (комплексом) CRISPR (англ. clustered regularly interspaced short palindromic repeats – короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами) / Cas9 используют для нокаута генов и вставки целевого участка ДНК вместо изначального. Вместе с плазмидой, кодирующей CRISPR/Cas9, в клетку добавляется ещё одна плазмида, содержащая ДНК-матрицу, из которой с помощью системы гомологичной рекомбинации нужный ген или его часть встраиваются в ДНК в нужном месте. Матрица для вставки ограничена (фланкирована) участками, комплементарными геномной ДНК с двух сторон от надреза. За счёт рекомбинации комплементарных участков вставка матрицы происходит точно в место разреза (The application of CRISPR/Cas technology... 2018).

Механизмы одноцепочечного отжига, включающие белки RAD52, используются для снижения пролиферации раковых клеток. Одноцепочечный отжиг может модулировать реакцию на облучение и противоопухолевые препараты на основе платины (Blasiak. 2021).