Krossingover (ing. crossing over — “kesishib o‘tish”) — meiozning birinchi bo‘linishi profazasida gomologlik xromosomalar sina psisi (synapsis) vaqtida o‘zaro qisimlar almashadigan jarayon. Bu jarayon, masalan, gamerlar yoki sporalar hosil bo‘lishida sodir bo‘ladi. Meiotik krossingover bilan birga mitotik krossingover ham tasvirlangan.
Ikki gen bir-biriga qanchalik yaqin joylashgan bo‘lsa, ular orasida krossingover shunchalik kam uchraydi. Shuning uchun krossingover chastotasiga qarab genlarning nisbiy joylashuvi va orasidagi masofani baholash, ya’ni genlarni kartalash (genetik xarita tuzish) mumkin. Krossingover 1911-yilda amerikalik genetik Tomas Xant Morgan (Thomas Hunt Morgan) va uning shogirdi hamkorlikdagi tadqiqotchisi Alfred Stertivant (Alfred Sturtevant) tomonidan Drosophila melanogaster (meva pashshasi)da tavsiflangan. 1913-yilda Stertivant krossingover chastotalariga tayangan holda genetik xaritalarni tuzishni boshladi. 1933-yilda Morgan “irsoiyatda xromosomalar roliga doir kashfiyotlari” uchun Fiziologiya va tibbiyot bo‘yicha Nobel mukofotini oldi.
Rekombinatsiya ota-ona xromosomalari uzilib, so‘ng «qayta yopishtirilishi» (qayta ulanib tiklanishi)dan iborat.
Tarixiy ochilish
Krossingoverni birinchi bo‘lib Tomas X. Morgan va uning shogirdi Alfred X. Stertivant 1911-yilda Drosophila melanogasterda, X-xromosomada joylashgan ko‘plab mutatsiyalarni tahlil qilish jarayonida aniqlashdi. Morgan ikki chatishtirish natijalarini ko‘rdi:
— Birinchisida sarg‘ish tana va oq ko‘zli urg‘ochilar yovvoyi tip (kulrang tana, qizil ko‘z) erkaklar bilan chatishtirildi. F1da barcha urg‘ochilar yovvoyi tipda, erkaklarda esa ikki mutant belgi birgalikda ko‘rindi. F2da pashshalarning mutlaq ko‘pchiligi ota-onalarga o‘xshash fenotipli (yovvoyi tip yoki sarg‘ish tana + oq ko‘z) bo‘ldi, biroq 1 % dan kam qismida rekombinant fenotiplar (sarg‘ish tana + qizil ko‘z yoki kulrang tana + oq ko‘z) paydo bo‘ldi.
— Ikkinchi chatishtirishda (oq ko‘z + kichik qanotli urg‘ochilar × yovvoyi tip erkaklar) F2da ham rekombinantlar kuzatildi va ularning ulushi 34,5 % ni tashkil etdi.
Krossingover. T. H. Morgan tomonidan chizilgan (1916)
Bu ishlarga qadar xi azmalar (chiasmata) — meiozda gomolog xromosomalar sina psisi paytidagi ko‘rinadigan “kesishuv” nuqtalari — amfibiyalarda 1909-yilda F. A. Yanssens (F. A. Janssens) tomonidan ta’riflangan edi. Morgan xi azmalar xromosomalar uchastkalar almashadigan nuqtalar ekanini taxmin qildi va jarayonni “krossingover” deb atadi. Ikki tajribadagi rekombinant ulushlaridagi farq genlar orasidagi masofa bilan izohlandi: yaqin genlar orasida xi azmalar kamroq, uzoq genlar orasida esa ko‘proq hosil bo‘ladi.
Sitologik asoslar
1909-yilda F. A. Yanssens krossingover chog‘ida gomologlik xromosomalar hosil qiladigan o‘ziga xos tuzilmalar — xi azmalarni meiozda (amfibiyalarda) ta’rifladi va bu xi azmalar xromosomalar o‘rtasida genetik material almashinuvidan dalolat berishi mumkinligini taklif qildi. 1931-yilda bunday almashinuvning bevosita dalillari makkajo‘xori va drozofilada olindi.
Makkajo‘xoridagi ishlarni Harriyet Kreyton (Harriet Creighton) va Barbara Mak-Klintok (Barbara McClintock) olib bordi. Ular c va wx genlariga nisbatan digeterozigot bo‘lgan o‘simliklarni (endosperm rangini belgilovchi genlar) o‘rgandilar. Ikkala gen bir xromosomada joylashgan bo‘lib, gomolog juftliklardan birida bir uchida uzun geteroxromatin bo‘lagi, ikkinchi uchida esa boshqa xromosomadan translokatsiya qilingan segment bor edi; ikkinchi gomologda bunday alomatlar yo‘q edi. c va wx bo‘yicha retsessiv o‘simliklar bilan chatishtirishdan olingan rekombinant avlodda geteroxromatin bloki yoki translokatsiyalangan segmentning ikkinchi gomologga o‘tishi ko‘rsatildi — demak, xromosomalar haqiqatan ham bo‘laklarini fizik almashgan.
Krossingover sxemasi. A (a) va B (b) harflari krossingover sodir bo‘layotgan ikki genni bildiradi; harflarning registri (katta/kichik) dominant va retsessiv allellarga mos keladi.
Drozofilada xuddi shunday sxema bilan ishlarni Kurt Shtern (Kurt Stern) o‘tkazdi. U cr va B genlariga (X-xromosomada, mos ravishda ko‘z rangi va shaklini belgilaydi) nisbatan digeterozigot urg‘ochilar liniyasini yaratdi. Bu urg‘ochilarda X-xromosomalarning biri Y-xromosomadan kichik fragment tutgani uchun G-shaklli, ikkinchisi esa o‘z uchastkasining (sentromerasiz bo‘lagining) IV-xromosomaga translokatsiyasi sabab kuchli qisqargan edi. Bu urg‘ochilar cr va B bo‘yicha retsessiv, normal X va Y xromosomali erkaklar bilan chatishtirildi. Rekombinant urg‘ochi avlod tsitologik tekshirilib, X-xromosomalarda struktura o‘zgarishlari aniqlanib, X-chromosomalar orasida fragmentlar almashuvi — ya’ni krossingover sodir bo‘lgani tasdiqlandi.
So‘ngra savol tug‘ildi: krossingover hujayra siklining qaysi bosqichida ro‘y beradi? Nazariy jihatdan u replikatsiyadan oldin (ikki ipli bosqich) ham, replikatsiyadan keyin (to‘rt ipli bosqich) ham sodir bo‘lishi mumkin. Buni aniqlash uchun askomitset zamburugi — non mog‘ori Neurospora crassada tetada tahlil (tetrad analysis) qo‘llandi. Bu organizmda gaploid sporalar ask (sumka) ichida hosil bo‘ladi: avval meioz, so‘ng mitoz bo‘lib, yetuk ask ichida sakkiz gaploid spora paydo bo‘ladi. Bo‘linish veretenasining o‘qi askning uzun o‘qiga to‘g‘ri keladi, shu bois sporalar to‘rt juft bo‘lib bir qatorda joylashadi va har bir juftning genotipi bir xil bo‘ladi. Sporalar tartibini va genotipini o‘rganish krossingover xromosomalar ikki marta bo‘linganidan keyin, ya’ni har bir xromosoma to‘rtta xromatidadan iborat bo‘lgan bosqichda sodir bo‘lishini ko‘rsatdi. Agar krossingover replikatsiyadan avval bo‘lganda, AaBb digeterozigot zamburug‘ asklarida faqat Ab va aB genotipli 4 tadan spora bo‘lardi. Amalda esa to‘rtta turli genotipli spora kuzatiladi; ularning askdagi tartibi qaysi nosingil xromatidalar o‘rtasida krossingover bo‘lganiga bog‘liq. Krossingoverning “to‘rt xromatida bosqichi”da kechishi 1925-yilda Kelvin (Calvin) Bridjes (Calvin Bridges) va I. Anderson tomonidan drozofilada ham ko‘rsatildi.
Bugun ma’lumki, krossingover meioz I profazasida ro‘y beradi va u bir necha bosqichga bo‘linadi: leptotena (leptotene) — konden sasiya (condensation) boshlanib, dublikat xromosomalar ko‘rinik bo‘ladi; zigotena (zygotene) — gomolog bo‘laklarning juftlasha boshlashi; paxitena (pachytene) — gomologlar butun uzunligi bo‘ylab to‘liq juftlashadi. Bunday ikkita ulanib turgan gomolog xromosomadan tuzilgan birliklar bivalent deyiladi; juftlashish jarayoni sina psis (synapsis) deb ataladi. Gomologlar birga sinaptonemal kompleks (synaptonemal complex) deb ataladigan murakkab oqsilli tuzilma bilan ushlab turiladi. Diplotena (diplotene)da xromosomalar ajrala boshlaydi, biroq xi azmalar joyida bog‘lanib qoladi — krossingover shu nuqtalarda kechadi. Oxirgi bosqich — diakinez (diakinesis) — xromosomalar yanada kuchli kondensatsiyalanadi, to‘rtta xromatida farqlanadi, lekin xi azmalar saqlanib qoladi.
Molekulyar mexanizm
Ko‘pincha krossingover Spo11 oqsili maqsadli ikki zanjirli uzilishlar (double-strand breaks) kiritganda boshlanadi. Bu asosan promotorlar va GC-ga boy hududlarda sodir bo‘ladi. Bunday joylar ko‘pincha rekombinatsiya “issiq nuqtalari” (hotspots) bo‘lib, ~1000–2000 juft nukleotiddan iborat va yuqori rekombinatsiya chastotasiga ega. Bir xromosomada ikki gen yonida “issiq nuqta”lar bo‘lmasa, ular keyingi avlodlarga taxminan bir xil nisbatda birga o‘tishi (sodda aytganda, kam rekombinatsiyalanishi) kutiladi. Krossingoverning asosida gomologik rekombinatsiya yotadi; u ikki zanjirli uzilishlarni reparatsiya qilishda ham muhim.
Gomologik rekombinatsiyaning ikki asosiy yo‘li ma’lum: DSBR — “double-strand break repair”, ya’ni ikki zanjirli uzilishni tiklash yo‘li (ko‘pincha “ikki Hollidey strukturasi modeli” sifatida tanilgan), va SDSA — “synthesis-dependent strand annealing”, ya’ni sintezga bog‘liq ip qayta qo‘shilishi yo‘li. Krossingover aynan DSBR yo‘lida yuzaga keladi. Ikkala yo‘lning boshlanishi umumiy: uzilish atrofida MRX (odamlarda MRN) kompleksi joylashadi va 5' uchlarni qayta ishlash ikki bosqichda ketadi. Avval MRX + Sae2 uzilish yaqinida 5' uchlarni kesib, 3' chiqib turgan uchlarni qoldiradi. Keyin 5'→3' yo‘nalishida chuqurroq qayta ishlashni Sgs1 gelikazasi va Exo1 hamda Dna2 nukleazalari davom ettiradi: Sgs1 spiralni “yechadi”, Exo1 va Dna2 esa hosil bo‘lgan bir ipli DNKda kesishlar yaratadi.
Meiozda gomologik rekombinatsiya modeli
RPA (replicative protein A) bir ipli DNKga yuqori affinitet bilan bog‘lanib, chiqib turgan 3' uchlarni qoplaydi va Rad51 (meiozda qo‘shimcha ravishda Dmc1) kabi oqsillar yordamida nukleoproteid ip hosil qiladi. Bu ip gomolog yoki juda o‘xshash DNK dubliksini qidirib topadi va unga invaziya qiladi. Mitozda odatda singil xromatida (sister chromatid) — mutlaqo bir xil nusxa — reparatsiya uchun qolip bo‘lib xizmat qiladi; meiozda esa qolip gomolog xromosoma bo‘ladi (o‘xshash, lekin doimo identik emas).
Ip invaziyasi vaqtida D-ilmak (D-loop) hosil bo‘ladi va DNK-polimeraza invaziya qilgan ipning 3' uchini uzaytiradi. Hosil bo‘lgan kesishgan tuzilma Hollidey strukturasi deb ataladi. So‘ng invaziya qilgan ipda sintez davom etib, D-ilmak siqib chiqargan joyga komplementar nusxa tiklanadi.
DSBR yo‘li o‘ziga xos: ikkinchi 3' uchi (invaziyada qatnashmagan) ham gomolog DNK bilan Hollidey strukturasi hosil qiladi va natijada ikkilamchi Hollidey strukturasi paydo bo‘ladi. Keyin bu juft struktura niklovchi endonukleazalar (restriction endonucleases) tomonidan “yechiladi”. Krossingover bo‘lish-bo‘lmasligi Hollidey strukturalarining qaysi iplar bo‘yicha kesilishiga bog‘liq: agar ikkidan biri kesishuvchi iplar bo‘yicha, ikkinchisi esa kesishmaydigan iplar bo‘yicha yechilsa — krossingover yuz beradi; ikkalasi ham kesishuvchi iplar bo‘yicha yechilsa — krossingoversiz rekombinatsiya hosil bo‘ladi.
Mitotik krossingover
Krossingover ko‘pincha meiozga xos bo‘lsa-da, u mitoz bo‘linishlarida somatik hujayralarda ham kuzatilishi mumkin — jinsi bor organizmlarda ham, jinsiy jarayoni noma’lum bo‘lgan ayrim bir hujayrali zamburug‘larda ham. Jinsiy jarayoni noma’lum turlarda mitotik rekombinatsiya genlar skriplanib ketishi (s linkage)ni tushunishning yagona kalitidir, chunki ularda genetik rekombinatsiyaning yagona yo‘li shudir. Bundan tashqari, mitotik rekombinatsiya geterozigota individda retsessiv allellarning mozaik ekspressiyasiga olib kelishi mumkin. Bunday hodisa onkogenezda muhim ahamiyatga ega, shuningdek, letal retsessiv mutatsiyalarni o‘rganish imkonini beradi.
Mitotik krossingover sxemasi
Krossingover va genlarni kartalash
Morgan shogirdi Alfred Stertivant birinchi bo‘lib, ma’lum lokuslar orasidagi krossingover chastotalaridan ularning xromosomadagi masofasi va tartibini aniqlash (genlarni kartalash) uchun foydalanish g‘oyasini taklif qildi. 1913-yilda u X-xromosomada joylashgan yellow (sarg‘ish tana), white (oq ko‘z) va miniature (kichik, rivojlanmagan qanot) mutatsiyalariga gomozigot bo‘lgan pashshalarni chatishtirdi. white–miniature hamda yellow–miniature lokuslari orasidagi rekombinatsiya chastotasi deyarli bir xil (34,5 % va 35,4 %), yellow–white orasida esa atigi 0,5 % bo‘ldi. Stertivant: lokuslar xromosomada bir-biriga qanchalik yaqin bo‘lsa, ular shunchalik kam rekombinatsiyalanadi, degan xulosaga keldi va ehtimoliy tartibni yellow — white — miniature deb belgiladi. Rekombinatsiya chastotalariga tayanib X-xromosomaning genetik xaritasini tuzdi; xaritadagi 1 birlik = 1 % rekombinatsiya. Bu birlik Morgan sharafiga santimorgan (sM) deb ataldi. Keyingi tadqiqotlar krossingover autosomalar uchun ham xosligini ko‘rsatdi. Qizig‘i, drozofilada ko‘pchilik hayvonlardan farqli o‘laroq, erkaklarda krossingover bo‘lmaydi.
Nosingil xromatidalar o‘rtasida ko‘pincha bir nechadan krossingover sodir bo‘ladi; masalan, ikki karra krossingover juda keng tarqalgan. Bu holat rekombinatsiya chastotalarining oddiy qo‘shiluvchanligini buzadi: ketma-ket joylashgan uchta gen uchun chekka genlar orasidagi rekombinatsiya chastotasi odatda “birinchi-ikkinchi” va “ikkinchi-uchinchi” juftliklar chastotalari yig‘indisidan biroz kichik bo‘ladi. Genlar orasidagi masofa ortgani sari xarita aniqligi kamayadi, chunki oraliq lokuslar darajasida sodir bo‘ladigan son-sanoqsiz krossingoverlar hisobga olinmay qoladi; natijada eksperimental rekombinatsiya chastotasi past baholanadi va xarita masofasi haqiqiydan kichik chiqadi.
Biroq, ikki gen orasidagi krossingover qo‘shni uchastkalar orasidagi almashinuvga xalaqit berishi mumkin. Bu hodisa interferensiya (interference) deyiladi. Uning kuchi koinstsidentlik koeffitsienti C (kuzatilgan ikki karra krossingoverlar sonining kutilganiga nisbati) orqali baholanadi; interferensiya ko‘rsatkichi I = 1 − C.
— Musbat interferensiya: I > 0 — ikki karra krossingoverlar kutilganidan kam; odatda yaqin joylashgan genlar uchun kuchliroq.
— Manfiy interferensiya: I < 0 — ikki karra krossingoverlar kutilganidan ko‘p (masalan, makkajo‘xorida tasvirlangan).
Amalda ko‘proq musbat interferensiya uchraydi.
Ba’zi organizmlar uchun rekombinatsiya chastotalariga tayangan genetik xaritalar tuzish mumkin bo‘lsa-da, masalan inson uchun bu jarayon ancha murakkab. DNKni sekvensiyalash usullari rivoji bilan DNK markerlar (xromosomalarda joylashuvi ma’lum, qisqa, oson aniqlanadigan ketma-ketliklar) yordamida genlarni kartalash imkoniyati paydo bo‘ldi. Ilk markerlar sifatida RFLP (restriction fragment length polymorphism) va mikrosatellitlar, keyinchalik esa bir nukleotidli polimorfizmlar (SNP) keng qo‘llanildi.
Krossingoverga ta’sir etuvchi omillar
Muhit omillari. UF, rentgen va γ-nurlanish odatda krossingover chastotasini oshiradi, chunki ular DNKda bir va ikki zanjirli uzilishlar keltirib chiqaradi. Nurlanish ba’zan faqat xromosomaning ayrim sohalarida rekombinatsiyani o‘zgartiradi: masalan, drozofilada sentromerga yaqin (pritsentromerik) hududlarda chastota oshadi, undan uzoq hududlarda esa pasayadi. DNK tuzilmasini buzadigan va normal replikatsiyaga xalaqit beradigan ko‘plab moddalar (masalan, nitrozo birikmalar, shuningdek alkillovchi va deza minatsiya qiluvchi agentlar) rekombinatsiyani kuchaytiradi. Harorat ham ta’sir ko‘rsatishi mumkin.
Fiziologik holat va genetika. Keksaroq drozofila urg‘ochilarida krossingover kamroq uchraydi. Lichinkalarning och qolishi chastotani oshiradi, suv tanqisligi esa pasaytiradi. Krossingover chastotasi genetik nazorat ostida: yuqorida aytilganidek, drozofila erkaklarida, shuningdek ipak qurti (Bombyx mori) urg‘ochilarida krossingover kuzatilmaydi; odatda geterogamet jinsda krossingover kamroq uchraydi. Ayrim xromosoma qayta tuzilmalari va muayyan mutatsiyalar ham chastotani o‘zgartiradi.
