Гомологи́чная рекомбина́ция у эукарио́т, обмен нуклеотидными последовательностями между двумя идентичными хромосомами во время профазы 1 мейоза в половых клетках и фазы G1 митоза в соматических клетках за счёт процессов разрыва и перевоссоединения гомологичных участков ДНК. Основной путь поддержания геномной стабильности между поколениями (мейоз) и во время онтогенетического развития в одном организме (митоз). Необходима как для восстановления повреждённой ДНК, так и для сегрегации хромосом при мейозе.

Гомологическая рекомбинация происходит в определённых участках хромосом, получивших название горячих точек рекомбинации (recombination hotspots). Частота событий мейотической рекомбинации в 100–1000 раз выше, чем митотической. Во время мейоза генерируется кроссинговер между плечами гомологичных хромосом, который необходим для правильной сегрегации хромосом при первом мейотическом делении. Во время митоза кроссинговер активно подавляется специализированными ДНК-геликазами. Некоторые из них также предотвращают неадекватные события гомологической рекомбинации, которые могут вызвать остановку клеточного цикла или помешать репарации ДНК после репликации.

Гомологичная рекомбинация для репарации двухцепочечных разрывов

Гомологичная рекомбинация инициируется путём запрограммированной индукции двухцепочечных разрывов ДНК консервативным топоизомеразоподобным ферментом SPO11 типа 2. Белковый комплекс дрожжей MRX (у человека – MRN) связывается с ДНК по обе стороны от разрыва, после чего следует отрезание 5'-концов, происходящее в 2 отдельных этапа. Сначала MRX в паре с белком Sae2 обрезают 5'-концы цепи по обе стороны от разрыва, создавая короткие 3'-концы одноцепочечной ДНК. Затем геликаза Sgs1 и нуклеазы Exo1 и Dna2 продолжают удаление 5' → 3'-концов. Sgs1 «распаковывает» двойную спираль, а Exo1 и Dna2 создают разрывы в одноцепочечной ДНК, высвобождённой геликазой Sgs1. Таким образом, остаются длинные одноцепочечные участки (Mimitou. 2009).

Белок RPA, который обладает высоким сродством к одноцепочечной ДНК, связывает 3'-концы. С помощью нескольких других белков, которые опосредуют этот процесс, белок Rad51 (Dmc1 в мейозе, оба – гомологи прокариотического белка RecA) образует нить из нуклеиновой кислоты и белка на единственной цепи ДНК, покрытой RPA. Таким образом RPA заменяется на Rad51 с образованием цепи нуклеопротеина, которая может инициировать спаривание и встраивание цепи с гомологичной дуплексной ДНК. Затем эта нуклеопротеиновая нить начинает поиск последовательностей ДНК, сходных с последовательностями 3'-конца. После нахождения такой последовательности одноцепочечная нуклеопротеиновая нить перемещается (вторгается) в аналогичный или идентичный дуплекс ДНК-реципиента в процессе, называемом «вторжением» нитей (Sung. 2006). 3’-конец вторгающейся цепи удлиняется путём синтеза ДНК с использованием донорного дуплекса в качестве матрицы.

Процессы «вторжения» нитей различаются при митозе и мейозе. В клетках, которые делятся посредством митоза, рекомбинация идёт по типу отжига цепей, зависимого от синтеза ДНК. Дуплекс ДНК-реципиента представляет собой сестринскую хроматиду, которая идентична повреждённой молекуле ДНК и обеспечивает матрицу для репарации, при этом кроссинговера не происходит. Вторгающаяся нить смещается и соединяется с другим 3’-концом, позволяя синтезу ДНК завершить репарацию.

При мейозе рекомбинация идёт путём репарации двухцепочечных разрывов. ДНК реципиента восстанавливается из сходной, но не обязательно идентичной гомологичной хромосомы. Во время встраивания цепи между вторгшимся 3'-концом и гомологичной хромосомой образуется петля смещения (D-петля) – промежуточная структура для обмена цепями. Её обработка ферментами Mus81–Mms4 (у дрожжей) и Eme1 (у млекопитающих) приводит к образованию кроссоверов, а лигирование и удлинение вторгшегося 3'-конца и синтез новой цепи ДНК создаёт структуру Холлидея. Далее двойная структура Холлидея должна быть разрезана на фрагменты. Разрезание (разрешение) структуры Холлидея белком Sgs1 приводит к образованию продуктов, не связанных с кроссинговером, в отличие от разрезания посредством ферментов Yen1 (у дрожжей) и GEN1 (у млекопитающих) (Mimitou. 2009). Благодаря данным белкам разрезы структур Холлидея происходят в двух разных плоскостях (по вертикали и горизонтали) (Sung. 2006).

Одноцепочечный отжиг

Альтернативный механизм гомологичной рекомбинации – одноцепочечный (однонитевой) отжиг (присоединение праймеров к одноцепочечной ДНК-мишени) – восстанавливает двухцепочечные разрывы между двумя повторяющимися последовательностями, не используя аналогичную молекулу ДНК, требуется лишь одна дуплексная ДНК и её собственные повторяющиеся последовательности, которые становятся сайтами рекомбинации.

Двухцепочечный разрыв в ДНК, имеющий фланкирующие гомологичные повторы, является субстратом для одноцепочечного отжига. Комбинированное действие ДНК-геликаз и нуклеаз приводит к удалению 5'-концов и образованию 3'-концов, которые отжигаются для сопоставления повторов. Выступающие 3'-одноцепочечные фрагменты удаляются путём эндонуклеолитического расщепления, а оставшиеся 3'-концы удлиняются ДНК-полимеразой для синтеза фрагментов ДНК с использованием интактной матрицы комплементарной цепи. ДНК-лигаза запечатывается, не имея фосфодиэфирных связей. Полученная ДНК короче исходной молекулы на длину, равную расстоянию между гомологичными повторами и длину одного повтора.

Путь одноцепочечного отжига считается мутагенным, т. к. приводит к удалению генетического материала и изменяет геном. Многие делеции ДНК, наблюдаемые в раковых клетках, демонстрируют гомологию в точках разрыва, что предполагает участие одноцепочечного отжига. Когда множественные двухцепочечные разрывы встречаются в разных хромосомах, одноцепочечный отжиг может привести к хромосомным транслокациям, важным в патогенезе многих видов рака. Ингибирование RAD52 (гомолог RAD52, белка репарации ДНК), главного регулятора одноцепочечного отжига, приводит к снижению пролиферации клеток с дефицитом BRCA1/2 (BRCA1/2 DNA repair associated), что встречается во многих наследственных случаях рака молочной железы и яичников (Blasiak. 2021).