Рекомбина́ция (в генетике), генетическая рекомбинация; рекомбинация ДНК (от ре... и позднелат. combinatio – соединение), перераспределение генетического материала в результате расхождения гомологичных хромосом (у эукариот) или взаимодействия молекул ДНК (у прокариот и вирусов), результатом которого является взаимный (реципрокный) и односторонний (нереципрокный) перенос участков ДНК с одной молекулы на другую. Одна из основных причин генетических мутаций всех организмов, поскольку приводит к наследственной комбинативной изменчивости, важной при эволюционных преобразованиях. Универсальный биологический механизм, свойствен всем живым организмам, происходит в соматических и половых клетках.

Виды рекомбинации

Гомологичная рекомбинация

При гомологичной рекомбинации у эукариот происходит 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 последующего соединения (перевоссоединения) гомологичных участков ДНК.

У прокариот и эукариот гомологичная рекомбинация представляет собой наиболее широко используемый клетками способ репарации ДНК – устранения одно- и двухцепочечных повреждений, в том числе для продолжения репликации в случае остановки репликационной вилки (у эукариот, бактерий и архей). У прокариот и вирусов гомологичная рекомбинация участвует в горизонтальном (межвидовом) переносе генов. Она же выступает в роли основного источника наследственной изменчивости у всех живых организмов, что определяет важную роль гомологичной рекомбинации в эволюции и онтогенетической изменчивости. В генной инженерии может использоваться для удаления нежелательных мутаций, создания новых аллелей, вставки или слияния функциональных доменов.

Негомологичная рекомбинация

Сайт-специфическая рекомбинация осуществляется между короткими гомологичными последовательностями ДНК (сайтами) длиной примерно 10–200 пар оснований с участием специализированных ферментов – сайт-специфических рекомбиназ. Ферменты распознают такие сайты, связываются с ними, а затем расщепляют структуру ДНК, обменивают и соединяют цепи ДНК. Сайт-специфическая рекомбинация способна вызвать значительные изменения в экспрессии генов в популяции, которая приобретает фенотипическую гетерогенность. В процессе сайт-специфической рекомбинации реализуются различные эпигенетические механизмы, поскольку она влияет на кодирующие и регуляторные участки в геноме, например происходит нокаутирование и/или включение определённых генов. В результате организм приобретает новые признаки или теряет уже имеющиеся, что влияет на его адаптацию к окружающей среде.

Транспозиция – перемещение последовательностей ДНК из одного места генома в другое без обмена генетической информацией. В транспозиции участвуют мобильные генетические элементы (МГЭ, транспозоны), которые не имеют фиксированного положения, поэтому способны вызывать хромосомные перестройки. Транспозоны кодируют белки, обеспечивающие процессы транспозиции (ферменты транспозазы, обратные транскриптазы и др.). Помимо вертикального переноса генов – от родителей к потомству – траспозоны участвуют в горизонтальном переносе генов. Переносчиками МГЭ выступают вирусы и плазмиды.

Незаконная рекомбинация осуществляется между негомологичными участками ДНК. Наиболее изученный механизм незаконной рекомбинации – негомологичное соединение концов для репарации двухцепочечных разрывов ДНК. Встречается при перестройке тяжёлой и лёгкой цепей иммуноглобулинов и встраивании ДНК в геном ретровирусов, что определяет её участие в адаптивном иммунитете.

Механизм рекомбинации

Все виды рекомбинации характеризуются этапом синапсиса (очень точного сближения гомологичных хромосом), в течение которого молекулы ДНК связываются в месте обмена полинуклеотидной цепи. Концы молекул сначала прикрепляются к ядерной оболочке, а потом мигрируют при помощи движений цитоскелета. После объединения концевых областей хромосомы могут быть связаны белковым РНК-комплексом, называемым синаптическим (синаптонемальным) комплексом. Затем происходит разрыв хромосом в строго гомологичных точках и перевоссоединение фрагментов крест-накрест, что сопровождается кроссинговером – реципрокным обменом фрагментами гомологичных хромосом (внутрихромосомной рекомбинацией генетического материала).

В результате перекрёста молекул образуется крестообразная специфическая структура, названная структурой (соединением) Холлидея – две гомологичные спирали ДНК удерживаются вместе благодаря перекрёстному обмену цепями. Точка перекрёста может мигрировать, в результате чего дополнительно образуются или растут гетеродуплексные участки на обеих молекулах ДНК.

Перестройка в геноме может быть запрограммирована на определённых этапах клеточной дифференцировки, в этом случае удаляются вложенные элементы ДНК, содержащиеся в кодирующей цепи конкретного гена. Эти элементы, которые являются концевыми короткими повторами, могут быть дополнительно связаны с изолированной частью гена путём рекомбинации между их итерациями на определённой стадии развития клетки.

Особенности рекомбинации у вирусов

В основе рекомбинации вирусов лежит процесс множественной реактивации – процесс заражения клеток частично повреждёнными (например, ультрафиолетовым излучением) вирусами. Рекомбинация происходит между сохранившими нативность участками генетического материала нескольких проникших в клетку вирусных частиц с образованием полноценного генома. В результате образуются рекомбинанты (гибриды), обладающие свойствами обоих родственных вирусов. Рекомбинация с высокой частотой наблюдается у РНК-содержащих (ортомиксовирусов, реовирусов, онкорнавирусов) и у всех ДНК-содержащих вирусов, геном которых представлен двухцепочечной ДНК.

Особенности рекомбинации у прокариот

У бактерий рекомбинация происходит в результате конъюгации – объединения двух бактериальных клеток протоплазменным мостиком и передачи хромосомы из донорской клетки в реципиентную, после чего происходит замена отдельных участков хромосомы реципиента на соответствующие фрагменты донора; трансформации – передачи признаков молекулами ДНК, проникающими из среды сквозь клеточную стенку; трансдукции – передачи генетического материала от бактерии-донора к бактерии-реципиенту, осуществляемой бактериофагом.

Особенности рекомбинации у эукариот

У эукариот рекомбинация генетического материала обеспечивается половым размножением и транспозицией. В зависимости от количества генетического материала, участвующего в рекомбинации, различают: геномную рекомбинацию – рекомбинацию наследственного материала, содержащегося в двух генетически разных организмах, в процессе оплодотворения; межхромосомную рекомбинацию – независимое распределение негомологичных хромосом в анафазе I мейоза; внутрихромосомную рекомбинацию – рекомбинацию генов между гомологичными хромосомами во время кроссинговера; рекомбинацию путём транспозиции – перемещение последовательностей ДНК в пределах одной хромосомы или в другую хромосому.

У многоклеточных организмов встречается рекомбинация в соматических клетках во время митоза, в результате которой у гетерозиготных по каким-либо признакам особей возможно появление участков (пятен) ткани, образованных клонами клеток рекомбинантного генотипа, а сами особи становятся т. н. мозаиками.