Crossing-over może przez pomyłkę usunąć fragment jednego chromosomu i podwoić go na drugim
Rekombinacja homologiczna podczas mejozy zwykle wymienia odpowiadające sobie fragmenty chromosomów. Problem pojawia się w regionach zawierających duże, bardzo podobne powtórzenia. Jeżeli chromosomy ustawią nie tę kopię naprzeciwko tej, która naprawdę jej odpowiada, crossing-over może zajść między sekwencjami podobnymi, ale położonymi w różnych miejscach. Taki proces nazywa się niealleliczną rekombinacją homologiczną, NAHR. Jego dwa produkty mogą być nierówne: jeden chromosom otrzymuje duplikację fragmentu, a drugi odpowiadającą jej delecję. Architektura powtórzeń sprawia więc, że niektóre rearanżacje genomu pojawiają się wielokrotnie niezależnie.
Rekombinacja wymaga podobieństwa sekwencji
Podczas prawidłowej mejozy homologiczne chromosomy parują, a rekombinacja może wymieniać DNA między odpowiadającymi sobie miejscami. System wykorzystuje podobieństwo sekwencji, by znaleźć właściwego partnera. Genom zawiera jednak segmentalne duplikacje — długie odcinki o bardzo wysokim podobieństwie, występujące w więcej niż jednym miejscu. Jeżeli takie kopie leżą po obu stronach regionu, mogą stworzyć pułapkę: maszyneria rekombinacyjna rozpoznaje podobieństwo, ale wybiera niealleliczną kopię.
Wyobraźmy sobie dwa homologiczne chromosomy z powtórzeniami A po obu stronach fragmentu X. Jeżeli jeden chromosom przesunie się względem drugiego i rekombinacja zajdzie między niewłaściwymi A, przecięte chromatydy nie wymienią fragmentów równoważnie. Jedna otrzyma dwie kopie X, a druga żadnej. To właśnie charakterystyczna para: duplikacja i odpowiadająca jej delecja. W zależności od położenia powtórzeń NAHR może prowadzić także do innych rearanżacji, w tym inwersji.
Dlaczego niektóre zmiany mają podobne granice u wielu osób
Jeżeli w populacji wiele razy niezależnie powstaje delecja o niemal tych samych punktach końcowych, często wskazuje to na powtarzalną architekturę regionu. Segmentalne duplikacje mogą działać jak tory prowadzące rekombinację do podobnych miejsc. Z tego powodu NAHR jest ważnym mechanizmem tzw. nawracających zaburzeń genomowych: u różnych osób rearanżacja może powstać de novo, ale obejmować bardzo podobny zestaw genów.
Mutacja punktowa zmienia lokalnie jedną lub kilka zasad. NAHR może jednorazowo zmienić dawkę wielu genów, bo przemieszcza cały odcinek chromosomu. Skutek zależy od długości fragmentu oraz od tego, czy znajdujące się w nim geny są wrażliwe na liczbę kopii. Dlatego dwie osoby z tą samą wielkością delecji w różnych miejscach genomu mogą mieć zupełnie inne konsekwencje biologiczne.
Powtórzenia są jednocześnie materiałem i ryzykiem
Duplikacje segmentalne same są produktem historii genomu i mogą dostarczać materiału do powstawania nowych kopii genów. Jednocześnie ich podobieństwo zwiększa ryzyko błędnego dopasowania podczas rekombinacji. Ta sama cecha — posiadanie podobnych sekwencji w kilku miejscach — może więc sprzyjać długoterminowej ewolucji genomu i zwiększać lokalną podatność na kolejne rearanżacje.
Genom ma wiele mechanizmów rearanżacji. Pęknięcia dwuniciowe mogą być łączone bez długiej homologii, podczas replikacji mogą pojawiać się przełączenia matrycy, a inne procesy tworzą niepowtarzalne punkty pęknięć. Dlatego nie należy używać NAHR jako uniwersalnego wyjaśnienia wszystkich CNV. Jego charakterystyczną cechą jest związek z homologicznie podobnymi sekwencjami, które ustawiają rekombinację w niewłaściwym miejscu.
Genom może być podatny przez własną geometrię
NAHR pokazuje, że znaczenie ma nie tylko treść genów, ale również sposób ułożenia powtarzalnych odcinków. Dwie sekwencje mogą być biologicznie niemal obojętne jako tekst DNA, a mimo to ich położenie i orientacja zwiększają ryzyko określonej rearanżacji. To przykład, w którym „architektura genomu” jest dosłownym czynnikiem mutacyjnym.
Powtórzenia segmentalne tworzą miejsca podwyższonego ryzyka
NAHR szczególnie łatwo zachodzi tam, gdzie genom zawiera długie, bardzo podobne kopie sekwencji położone w różnych miejscach. Podczas mejozy takie segmentalne duplikacje mogą ustawić się względem niewłaściwego partnera. Rekombinacja wykonuje wówczas poprawną reakcję biochemiczną na źle dobranej parze fragmentów. To tłumaczy, dlaczego niektóre delecje i duplikacje pojawiają się niezależnie u wielu osób z bardzo podobnymi granicami: architektura regionu sama tworzy powtarzalny mechanizm rearanżacji.
Orientacja powtórzeń zmienia produkt rearanżacji
Jeżeli podobne sekwencje leżą na homologicznych chromosomach w tej samej orientacji, nierówna rekombinacja może dać delecję na jednym produkcie i duplikację na drugim. Jeśli odpowiednie powtórzenia znajdują się w odwrotnej orientacji na jednym chromosomie, rekombinacja może sprzyjać inwersji fragmentu. Ten sam ogólny mechanizm homologicznego dopasowania potrafi więc generować różne przebudowy zależnie od geometrycznego ułożenia sekwencji.
Dlaczego te same rearanżacje mogą powracać w wielu rodzinach
NAHR jest szczególnie ważne dla tzw. rearanżacji nawrotowych. Jeśli w populacji wielu ludzi ma ten sam układ dużych powtórzeń flankujących region, niezależne mejozy mogą wielokrotnie generować bardzo podobną delecję lub duplikację. Pacjenci nie muszą więc dziedziczyć zmiany od wspólnego niedawnego przodka — architektura chromosomu odtwarza to samo zdarzenie. To odróżnia mechanizm od jednorazowej mutacji założycielskiej i pozwala czasem przewidzieć podatne miejsca już z mapy segmentalnych duplikacji.