Rekombination (Genetik)

Bedeutung und Rolle bei sexueller Fortpflanzung

Rekombination ist die Neuanordnung genetischen Materials (DNA, RNA) in Zellen, im engeren Sinn der Austausch von Allelen. Allele sind Varianten eines Gens. Dadurch entstehen neue Gen- und Merkmalskombinationen. Zusammen mit Mutationen verursacht Rekombination die genetische Variabilität einer Population; diese ist die Grundlage für Anpassungen an wechselnde Umweltbedingungen im Mikroevolutionsprozess.

Bei der sexuellen Fortpflanzung von Eukaryoten, etwa Pflanzen und Tieren, wechselt die Fortpflanzung von Generation zu Generation zwischen einer haploiden und einer diploiden Phase. Haploid bedeutet: ein einfacher Chromosomensatz; diploid: zwei Chromosomensätze. Die sexuelle Rekombination betrifft das gesamte Genom und erhöht die Variation der Nachkommen erheblich. Sie kann vorteilhafte, aber auch abträgliche Genkombinationen erzeugen. Gegenüber asexueller Fortpflanzung ermöglicht sie eine höhere Anpassungsrate: Eine neue Mutation bleibt nicht an eine feste genetische Kombination gebunden und kann sich deshalb als zuträgliche schneller verbreiten oder als unvorteilhafte schneller verschwinden.

Man unterscheidet interchromosomale Rekombination, also die Neukombination ganzer Chromosomen, und intrachromosomale Rekombination, die Neukombination von Allelen innerhalb eines Chromosoms durch Crossing-over in der 1. Reifeteilung.

Neukombination ganzer Chromosomen

Die interchromosomale Rekombination umfasst zwei Phasen: Erstens werden bei der Meiose Chromosomen auf haploide Keimzellen verteilt. Zweitens verschmelzen bei der Befruchtung zwei Keimzellen zu einer diploiden Zygote.

Die Zahl möglicher Kombinationen hängt von der Zahl homologer Chromosomenpaare ab. Bei zwei Paaren, zum Beispiel 1a1b und 2a2b, entstehen 2² = 4 mögliche einfache Chromosomensätze: 1a,2a; 1a,2b; 1b,2a; 1b,2b. Beim Menschen mit 23 Chromosomenpaaren sind 2²³ = 8.388.608 interchromosomal verschiedene haploide Keimzellen möglich. Durch die Verschmelzung zweier Geschlechtszellen ergeben sich theoretisch 2²³ · 2²³ = 2⁴⁶, also ungefähr 70 Billionen, mögliche Neukombinationen euploider Chromosomensätze. Deshalb sind zwei genetisch identische Nachkommen eines Menschenpaares nahezu unmöglich, sofern sie keine eineiigen Mehrlinge sind.

Bei Viren mit segmentiertem Genom heißt das entsprechende Prinzip Reassortment. Es setzt eine Doppel- oder Mehrfachinfektion voraus.

Austausch von Chromatidenabschnitten

Bei der intrachromosomalen Rekombination werden Abschnitte zwischen gepaarten Chromatiden ausgetauscht. Zu Beginn der 1. meiotischen Teilung, im Zygotän der Prophase der Reduktionsteilung, lagern sich die bereits verdoppelten homologen Chromosomen paarweise zusammen. Jedes besteht aus zwei Schwester-Chromatiden; gemeinsam bilden sie eine Tetrade mit vier Chromatiden. Im Pachytän ordnet ein synaptonemaler Komplex die homologen Chromosomen genau einander zu.

An engen Kontaktstellen können sich Nicht-Schwesterchromatiden wechselseitig anlagern und ein Crossover bilden. Rekombinationsknoten sind daran beteiligt; später ist die Stelle als Chiasma sichtbar, im Diplotän der Prophase I. Zwar können Meiosen achiasmatisch verlaufen, meist besitzt aber fast jede Tetrade mindestens ein Chiasma, oft mehrere. Bei der Trennung homologer Chromosomen in der Anaphase I werden Chromatidenabschnitte ausgetauscht. Die Chromatiden enthalten dann sowohl mütterlicher- als auch väterlicherseits geerbte Allele und können neue Allelkombinationen tragen.

Ein einzelnes Crossover kann in einer Tetrade vier Chromatiden mit unterschiedlicher Allelkombination erzeugen. Nach der 2. meiotischen Teilung entstehen vier haploide Zellen, deren Chromosomensätze deshalb genetisch verschieden sind. Da Anzahl und Ort der Crossovers zwischen Meiosen variieren, ist die Gesamtzahl nicht genau bestimmbar. Schon bei nur einem Crossover je Tetrade ergeben sich beim Menschen 4²³, ungefähr 70 Billionen, Möglichkeiten für die Allelkombinationen eines haploiden Satzes. Ohne diesen Austausch blieben allein ungefähr 8,4 Millionen Möglichkeiten durch die interchromosomale Rekombination.

Auch genetisch ähnliche Virusstämme mit unsegmentiertem Genom können bei Doppel- oder Mehrfachinfektion intrachromosomal rekombinieren, beispielsweise Coronaviren.

Rekombination bei Bakterien, Viren und Körperzellen

Bei parasexuellen Prozessen von Bakterien und einigen Pilzen werden entweder Genomteile übertragen oder nichtgeschlechtlich entstandene vegetative Zellen fusionieren. Genomteile können durch Konjugation direkt zwischen verbundenen Zellen, durch Transduktion mit Hilfe von Viren oder durch Transformation übertragen werden. Transformation ist die Aufnahme und Integration extrazellulärer DNA in das Genom einer Zelle.

Für die evolutionsbiologische Wirkung viraler Rekombination ist entscheidend, ob das Virusgenom aus nebeneinander vorliegenden Segmenten oder aus mehreren Nukleinsäuremolekülen besteht. Diese Segmente entsprechen funktionell Chromosomen der Eukaryoten. Influenzavirus A besitzt ein segmentiertes, multipartites Genom aus 8 langkettigen RNA-Molekülen. Infiziert eine Zelle gleichzeitig verschiedene Influenza-A-Stämme, können neue Viruspartikel Stränge beider Stämme enthalten. Dadurch sind 2⁸ = 256 Varianten möglich; dies ist Reassortment und das virale Analogon zur interchromosomalen Rekombination.

Auch unsegmentierte, monopartite Viren mit nur einem DNA- oder RNA-Molekül können bei Mehrfachinfektion durch Brüche der Nukleinsäureketten rekombinieren. Dies wird für die Entstehung des SARS-Erregerstamms SARS-CoV[-1] angenommen und für den nekrotisch wirkenden Stamm PVYNTN von Kartoffelvirus Y vermutet. Es entspricht dem viralen Gegenstück zum Crossing-over.

Bei Eukaryoten findet Rekombination außerdem in somatischen, also nicht der Keimbahn angehörenden, Zellen statt. Solche DNA-Umgruppierungen können die Genexpression beeinflussen. Beispiele sind Transposons, auch „springende Gene“, und die somatische Rekombination der Immunglobuline, die V(D)J-Rekombination.

Homologe Rekombination und technische Nutzung

Homologe Rekombination (HR) kommt bei allen Organismen vor und benötigt homologe, doppelsträngige DNA-Abschnitte. Homolog bedeutet hier, dass die Nukleotidsequenzen stark ähnlich sind. Bei Doppelstrangbrüchen kann die HR Schäden reparieren, indem ein unbeschädigtes Chromatid als Vorlage dient; sie hilft der Zelle somit, Genmutationen zu reparieren. Typisch sind die parallele Paarung zweier DNA-Moleküle, der Austausch von Abschnitten durch Crossing-over und die präzise Wiederverknüpfung durch Rekombinasen. Die Verknüpfungsstelle kann innerhalb der homologen Sequenzen liegen, ohne dass Nukleotide verlorengehen oder hinzukommen. Im Verlauf entsteht eine Holliday-Struktur.

Das Verhältnis von HR zu nicht homologer Rekombination kann zwischen Arten um mehrere Größenordnungen variieren. Beim Laubmoos Physcomitrella patens ist die HR-Rate so hoch, dass Gene gezielt ausgeschaltet und ihre Funktionen untersucht werden können. Dies heißt Gene-Targeting; der methodische Ansatz heißt Reverse Genetik.

Eine gezielte Integration durch sequenzspezifische Rekombination ist nicht homolog. Beispielsweise bringt die vom Bakteriophagen λ codierte Integrase zwei nicht homologe DNA-Sequenzen zusammen, spaltet sie und verbindet sie. So kann ein Virengenom an einer vorgesehenen Stelle in ein Chromosom eingebaut werden.

In der Gentechnik wird rekombinante DNA künstlich hergestellt und in Organismen eingeschleust. Bei einer Klonierung schneiden Restriktionsenzyme DNA an spezifischen Erkennungssequenzen; Ligasen verknüpfen sie neu. Plasmide oder Viren dienen häufig als Vektoren für den Transfer in den Zielorganismus. Alternativen zur herkömmlichen Klonierung sind die auf homologer Rekombination beruhenden Verfahren Recombineering und RMCE-Kassettenaustauschverfahren.