Как молекулярный механизм выбирает, где разрезать хромосому для рекомбинации?

В любом случае, у людей и мышей многое сводится к распознаванию PRDM9 специфической последовательности, которая отмечает горячие точки рекомбинации . http://www.sciencemag.org/content/327/5967/836

Изменить - я расширяюсь в ответ на комментарий ниже...

Мейотическая рекомбинация происходит с гораздо большей частотой в одних местах генома, чем в других, и они называются горячими точками рекомбинации. Например, приведенный здесь рисунок взят с http://www.sciencemag.org/content/327/5967/876/F1.large.jpg

показывает скорость рекомбинации в горячей точке и дальше от нее для шимпанзе и человека.

Эти горячие точки распознаются режущим оборудованием благодаря связыванию PRDM9, белка цинковых пальцев, с последовательностью ДНК, которую он специфически распознает и присутствует в горячих точках. Последовательность ДНК варьируется от вида к виду (как и последовательность и функция PRDM9), но у людей это хорошо охарактеризованный мотив длиной 13 пар оснований и последовательностью CCNCCNTNNCCNC (где N - любое из 4 оснований в ДНК). и отвечает за активность почти 40% известных горячих точек.

В первой ссылке, которую я опубликовал, есть доказательства того, что различия в составе PRDM9 являются определяющим фактором того, какие горячие точки будут использоваться. PRDM9, оказывается, стимулирует образование специфической модификации гистонов - H3k4me3 (ДНК обернута вокруг гистонов, гистонов пять - H1, H2A, H2B, H3, H4, и каждый из них имеет хвост, который может быть химически модифицирован, и восемь из них (2 из H2A, 2 из H2B, 2 из H3 и 2 из H4) образуют нуклеосому - в этом случае четвертый лизиновый остаток хвоста гистона H3 триметилирован, как регулируется PRDM9, и облегчает кроссинговер и инициация рекомбинации.

Вопрос очень широкий и сложный, так как у прокариот и эукариот ситуация может различаться. Тем не менее, я цитирую хорошую статью, которая тесно связана с вашим вопросом:

Исследования на дрожжах показывают, что инициация рекомбинации, которая происходит путем образования двухцепочечных разрывов ДНК, определяет распределение конверсии генов и событий кроссинговера, происходящих в близких интервалах. Недавние данные на людях и мышах также указывают на присутствие высоко локализованных сайтов инициации, которые способствуют кроссоверам, сгруппированным вокруг области инициации и, по-видимому, имеют общие черты с сайтами у дрожжей. В более широком масштабе хромосомные домены с различной скоростью рекомбинации были идентифицированы от дрожжей до млекопитающих. Это указывает на более высокий уровень регуляции рекомбинации в геноме с потенциальными последствиями для структуры генома... ...DSB (двухцепочечные разрывы) возникают в высоко локализованных областях и распространяются на 70–250 п.н. Анализ последовательности ДНК не выявил уникальных консервативных консенсусных последовательностей. хотя вырожденный мотив из 50 п.н. частично коррелирует с сайтами DSB. Однако одной общей чертой является то, что DSB расположены в доступных областях хроматина рядом либо с промоторами, либо с сайтами связывания факторов транскрипции. Основываясь на двух исследованиях, активность DSB не коррелирует с локальной транскрипционной активностью, но зависит от связывания факторов транскрипции (HIS4 у S. cerevisiae и ade6-M26 у S. pombe).

Бернар де Масси, Распределение сайтов мейотической рекомбинации. ТЕНДЕНЦИИ в генетике, том 19, № 9, сентябрь 2003 г.

Я суммирую это в более похожей на ответ форме. Похоже, что этот процесс не случаен, потому что события разрыва двойной цепи явно неравномерно распределены по геному. Как говорится в документе, на данный момент не обнаружено никаких конкретных консенсусных мотивов, хотя явно есть что-то особенное перед промоутерами и сайтами связывания TF, что делает их более вероятными сайтами разрыва. Как техника выбирает место? Еще раз, как говорится в документе, событие прерывания зависит от привязки TF. Но это для S. cerevisiae. В геномах человека и мыши обнаружено 17 горячих точек, некоторые из которых являются межгенными (они занимают интроны или 5'/3' фланкирующие области).

Вот распределение частот рекомбинации по одной хромосоме (рисунок взят из статьи).

Вот список сайтов рекомбинации у людей и мышей.

В мейозе происходит гомологичная рекомбинация. Два белка Spo11 используют тирозин для индукции двухцепочечного разрыва ДНК. Spo11 не имеет специфического сайта расщепления . Однако расщепление с помощью Spo11 привело к открытию комплексов Spo11-олигонуклеотид (Spo11 с прикрепленным олигонуклеотидом после расщепления), которые можно было бы картировать с «горячими точками», которые в связанном исследовании обнаруживают ряд факторов, различающих расщепление Spo11 в мейозе:

Из точного местоположения 2,2 миллиона последовательностей олигонуклеотидов Spo11 Pan et al. [1] показали, что локальный состав ДНК также влияет на сайты расщепления Spo11. Как и ожидалось из предыдущих исследований, Spo11 не имеет специфического сайта узнавания или расщепления. Однако были обнаружены смещения последовательности: от 10 до 12 п.н., окружающие сайт расщепления и предположительно связанные непосредственно с Spo11, относительно богаты AT, предсказывая относительно узкие и глубокие спиральные борозды, обращенные к связанному димеру Spo11. Расщепление благоприятствует участкам, находящимся непосредственно в 3' от C, и неблагоприятно для G в том же положении. Кроме того, в сердцевине из 32 п.н., окружающей сайты расщепления Spo11, можно различить двойную вращательную симметрию для комплементарной динуклеотидной композиции, что предполагает отдельный вклад фланкирующих «полусайтов» в связывание и/или расщепление Spo11. Кроме того, сайты расщепления отрицательно коррелируют с расположением нуклеосом. Сходным образом, Spo11 обычно закрыт от сайтов расщепления, где связаны транскрипционные факторы, хотя сайты связывания нескольких разных транскрипционных факторов положительно коррелируют с сайтами горячих точек.

Хотя все приведенные выше ответы верны и содержательны для процесса формирования DSB, рекомбинация имеет еще один уровень сложности.

Опосредование правильной хромосомной сегрегации, скорее всего, является реальной точкой кроссинговера , поскольку кроссинговеры все еще происходят в инбредных геномах ., которые не приводят к новым гаплотипам. СО создают гетеродуплексную структуру между цепями ДНК, соединения Холлидея. Эта структура создает силы натяжения, которые необходимы для прохождения контрольной точки сборки веретена до того, как мейотическая клетка сможет перейти в анафазу (см. работы Никласа о хромосомах кузнечиков и Hirose et al 2011). В большинстве* организмов требуется по крайней мере один ЦО на плечо хромосомы, чтобы пройти контрольную точку сборки веретена и обеспечить правильное расхождение. Отсутствие CO или неправильное расположение CO могут привести к нерасхождению и повышенному риску анеуплоидии (Hassold, Hall, Hunt 2007). (*исключением являются самцы Drosophila melanogaster, у которых путь расхождения хромосом не зависит от СО).

Кроме того, следует отметить, что DSB =/= CO, то есть не все DSB преобразуются в CO. Во всех организмах количество DSB превышает количество образующихся CO. Большинство DSB разрешаются в непересекающиеся (NCO). Есть новые доказательства (по крайней мере, на мышах), что эти числа не пропорциональны. То есть, если общее количество DSB в геноме уменьшается, общее количество CO не изменяется. (Коул и др., 2012).

Я думаю, что более интересной формулировкой вашего вопроса было бы: как геном выбирает, какие DSB разрешать в CO или NCO ?