Ungleiches Überqueren

Ungleiches Crossing-over ist eine Form der Genduplikation oder -deletion, bei der eine Sequenz auf einem Strang gelöscht und durch eine Duplikation der Schwesterchromatide während der Mitose oder des homologen Chromosoms während der Meiose ersetzt wird . Es handelt sich um eine Form des chromosomalen Crossing-overs zwischen homologen Sequenzen, die nicht exakt gepaart sind. ^{[ 1 ]} Normalerweise sind Gene für das Auftreten von Crossing-over verantwortlich. Dabei werden Sequenzen verschiedener Abschnitte zwischen Chromosomen ausgetauscht. Zusammen mit der Genkonversion gilt es als Hauptursache für Genduplikationen und als Quelle von Mutationen im Genom. ^{[ 2 ]}

Während der Meiose verbinden sich die replizierten Chromosomen ( Chromatiden ) eukaryotischer Organismen im Centromerbereich und bilden so ein Paar. Die mütterlichen und väterlichen Chromosomen ordnen sich anschließend nebeneinander an. Dabei kann es durch Crossing-over von Abschnitten der väterlichen und mütterlichen Chromatiden zu Rekombinationen kommen, die reziproke oder nicht-reziproke Rekombinationen zur Folge haben. ^{[ 2 ]} Ungleiches Crossing-over setzt eine gewisse Sequenzähnlichkeit voraus, damit es zu einer Fehlpaarung kommt. Je größer die Sequenzähnlichkeit, desto wahrscheinlicher ist ungleiches Crossing-over. ^{[ 2 ]} Eine der Sequenzen geht dabei verloren und wird durch die Duplikation einer anderen Sequenz ersetzt.

Bei einer Fehlpaarung zweier Sequenzen kann ungleiches Crossing-over zu einer Tandemwiederholung auf dem einen Chromosom und einer Deletion auf dem anderen führen. Die Rate des ungleichen Crossing-overs steigt mit der Anzahl der Sequenzwiederholungen um die Duplikation herum. Dies liegt daran, dass sich diese Sequenzwiederholungen paaren und so die Fehlpaarung am Crossing-over-Punkt ermöglichen. ^{[ 3 ]}

Ungleiches Crossing-over ist der Prozess, der hauptsächlich für die Entstehung regionaler Genduplikationen im Genom verantwortlich ist. ^{[ 2 ]} Wiederholte Runden ungleichen Crossing-overs führen zur Homogenisierung der beiden Sequenzen. Mit zunehmender Anzahl an Duplikationen kann ungleiches Crossing-over zu einem Ungleichgewicht der genetischen Dosierung im Genom führen und äußerst schädlich sein. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Bei ungleichem Crossing-over kann es zu einem umfangreichen Sequenzaustausch zwischen den Chromosomen kommen. Im Vergleich zur Genkonversion, bei der maximal 1.500 Basenpaare übertragen werden können, wurden bei ungleichem Crossing-over in Hefe-rDNA-Genen etwa 20.000 Basenpaare in einem einzigen Crossing-over-Ereignis übertragen ^{[ 2 ] [ 4 ].} Ungleiches Crossing-over kann die konzertierte Evolution duplizierter Sequenzen nach sich ziehen.

Es wurde vermutet, dass die längeren Introns zwischen zwei Beta-Globin-Genen eine Reaktion auf schädliche Selektion aufgrund ungleichen Crossing-overs in den Beta-Globin-Genen darstellen. ^{[ 2 ] [ 5 ]} Vergleiche zwischen Alpha-Globin-Genen, die keine langen Introns aufweisen, und Beta-Globin-Genen zeigen, dass Alpha-Globin eine 50-fach höhere konzertierte Evolution aufweist.

Wenn ungleiches Crossing-over zu einer Genduplikation führt , hat das Duplikat vier evolutionäre Möglichkeiten. Dies liegt daran, dass die reinigende Selektion auf eine duplizierte Kopie nicht sehr stark wirkt. Da nun eine redundante Kopie vorliegt, können neutrale Mutationen auf das Duplikat einwirken. Meistens setzen sich die neutralen Mutationen fort, bis das Duplikat zu einem Pseudogen wird . Erhöht die duplizierte Kopie den Dosiseffekt des Genprodukts, kann sie als redundante Kopie erhalten bleiben. Auch eine Neofunktionalisierung ist möglich: Die duplizierte Kopie erwirbt eine Mutation, die ihr eine andere Funktion als ihrem Vorfahren verleiht. Erwerben beide Kopien Mutationen, kann es zu einer Subfunktionalisierung kommen. Dies geschieht, wenn beide duplizierten Sequenzen eine spezialisiertere Funktion als die ursprüngliche Kopie aufweisen ^{[ 6 ].}

Genduplikationen sind der Hauptgrund für die Zunahme der Genomgröße, und da ungleiches Crossing-over der Hauptmechanismus für Genduplikationen ist, trägt ungleiches Crossing-over zur Evolution der Genomgröße bei. Es ist das häufigste regionale Duplikationsereignis, das die Größe des Genoms erhöht.

Bei der Betrachtung des Genoms eines Eukaryoten fällt die große Anzahl an tandemartigen, repetitiven DNA-Sequenzen auf, die einen Großteil des Genoms ausmachen. So bestehen beispielsweise über 50 % des Genoms von Dipodmys ordii aus drei spezifischen Wiederholungen. Drosophila virilis besitzt drei Sequenzen, die 40 % des Genoms ausmachen, und 35 % des Genoms von Absidia glauca bestehen aus repetitiven DNA-Sequenzen. ^{[ 2 ]} Auf diese kurzen Sequenzen wirkt kein Selektionsdruck, und die Häufigkeit der Wiederholungen kann durch ungleiches Crossing-over verändert werden. ^{[ 7 ]}