Vrste i mehanizmi genetičke rekombinacije



genetička rekombinacija To je proces kojim molekule nukleinske kiseline razmjenjuju fragmente koji generiraju novu molekulu. Vrlo je česta u DNA, ali RNA je također supstrat za rekombinaciju. Rekombinacija je, nakon mutacije, najvažniji izvor generacije genetske varijabilnosti.

DNA sudjeluje u različitim biokemijskim procesima. Tijekom replikacije služi kao predložak za stvaranje dvije nove DNA molekule. U transkripciji omogućuje generiranje RNA molekula iz specifičnih regija koje kontrolira promotor.

No, osim toga, DNA je također sposobna za razmjenu fragmenata. Kroz ovaj proces stvaraju se nove kombinacije koje nisu proizvod prethodnih dvaju procesa, niti oplodnje.

Bilo koji proces rekombinacije uključuje lomljenje i vezanje molekula DNA uključenih u proces. Ovaj mehanizam varira ovisno o tome koji je rekombinacijski supstrat, enzimi uključeni u proces i mehanizam njegovog izvršenja..

Rekombinacija općenito ovisi o postojanju komplementarnih regija, sličnih (ako ne identičnih) ili homolognih između rekombinacijskih molekula. U slučaju da rekombiniraju molekule u procesima koji nisu vođeni homologijom, kaže se da rekombinacija nije homologna.

Ako homologija uključuje vrlo kratko područje prisutno u obje molekule, kaže se da je rekombinacija specifična za mjesto.

indeks

  • 1 Definicija
    • 1.1 Chiasm i cross-linking
  • 2 Vrste genetske rekombinacije
    • 2.1-Rekombinacija specifična za mjesto
    • 2.2-Homologna rekombinacija
    • 2.3 - Nehomologna rekombinacija
  • 3 Važnost rekombinacije
    • 3.1 Važnost kao uzrok: replikacija i popravak DNA
    • 3.2 Značaj kao posljedica: stvaranje genetske varijabilnosti
    • 3.3 Rekombinacija i zdravlje
  • 4 Reference

definicija

Ono što nazivamo homologijom u rekombinaciji ne mora nužno značiti evolucijsko podrijetlo molekula koje sudjeluju. Više govorimo o stupnju sličnosti u nukleotidnoj sekvenci.

Nereparativna rekombinacija, na primjer, javlja se kod eukariota tijekom mejoznog procesa. Nesumnjivo, ne može biti veće homologije nego između parova kromosoma u istoj stanici.

Zato se nazivaju homolognim kromosomima. Međutim, postoje slučajevi u kojima DNA stanice razmjenjuje materijal s stranom DNA. Ove DNK moraju biti vrlo slične rekombinaciji, ali ne moraju nužno dijeliti istog pretka (homologiju) da bi se postigle.

Chiasm i cross-linking

Mjesto sjedinjenja i razmjena između dvije molekule DNA naziva se chiasm, a proces kao takav, umrežavanje. Tijekom intercrossing-a, provjerena je razmjena traka između sudjelujućih DNA.

To stvara kointegraciju, koja su dvije molekule DNA fizički sjedinjene u jednu. Kada je kointegrat "riješen", nastaju dvije molekule, koje se općenito mijenjaju (rekombinantni).

"Rješenje", u kontekstu rekombinacije, je odvajanje molekula DNA od kointegrata.

Vrste genetske rekombinacije

-Site-specifična rekombinacija

U mjestu specifičnoj rekombinaciji, dvije molekule DNA, općenito nehomologne, imaju kratki slijed koji je zajednički za oba. Ovaj slijed je usmjeren na specifični enzim za spajanje.

Enzim koji je sposoban prepoznati taj slijed, a ne drugi, reže ga na određenom mjestu u obje molekule. Uz pomoć nekih drugih čimbenika, on razmjenjuje DNK trake dviju sudjelujućih molekula i formira kointegraciju.

Escherichia coli i lambda

To je osnova za formiranje kointegracije između genoma bakterije Escherichia coli i one bakteriofaga lambda. Bakteriofag je virus koji zarazi bakterije.

Stvaranje ovog kointegrata provodi se enzimom kodiranim u genomu virusa: lambda integraza. Time se prepoznaje zajednički poziv koji se zove attP u kružnom genomu virusa, i attB u bakteriji.

Rezanjem obje sekvence u obje molekule, stvara slobodne segmente, razmjenjuje bendove i ujedinjuje dva genoma. Stvara se veći krug ili kointegrira.

U kointegiranom, genom virusa pasivno nosi bakterijski genom, s kojim se replicira. U tom stanju se kaže da je virus u provirusu i da je bakterija lizogena za isti.

Inverzni proces, to jest, kointegrirana rezolucija, može potrajati mnogo generacija - ili čak ne. Međutim, ako je učinjeno, to je enzimski posredovano drugim proteinom kodiranim virusom genoma zvanim excisionasa. Kada se to dogodi, virus se odvaja od kointegrata, reaktivira i uzrokuje lizu stanica.

-Homologna rekombinacija

Generalizirana rekombinacija

Homologna rekombinacija je verificirana između molekula DNA koje dijele najmanje 40 nukleotida potpune ili gotovo potpune sličnosti. Da bi se proveo proces rekombinacije, mora sudjelovati najmanje jedna endonukleaza.

Endonukleaze su enzimi koji generiraju unutarnje rezove u DNA. Neki to čine kako bi uništili DNK. Drugi, kao u slučaju rekombinacije, to čine kako bi stvorili trag u DNA.

Ovaj jedinstveni nick vam omogućuje da obradite jedan DNK bend sa slobodnim krajem. Ovaj slobodni kraj, vođen rekombinazom, dopušta jednom pojasu da upadne u dvostruku DNK premještanjem rezidentnog banda identičnog.

To je točka prijelaza, između donorske molekule DNA ("invader") i drugog primatelja.

Enzim (rekombinaza) koji provodi proces invazije i razmjene traka u Escherichia coli zove se RecA. Postoje i drugi homologni proteini u prokariotima, kao što je RadA u arhejama. Kod eukariota, ekvivalentni enzim se naziva RAD51.

Jednom kad okupira bandu, ona interagira s trakom koja je ostala jednostavna u molekuli donora. Obje točke su zapečaćene djelovanjem ligaze.

Sada imamo DNK iz hibridnih traka (donorski pojas i receptorski pojas različitog podrijetla), koje su okružene donorskom DNK i prijemnom DNA. Točke prijelaza (chiasmas) kreću se u oba smjera najmanje 200 bp.

Svaka točka umrežavanja tvori ono što je poznato kao Holliday struktura (križna DNK koja je rezultat rekombinacijskog događaja).

Ova križna DNA mora biti razrijeđena drugim endonukleazama. Hibridna ili himerna DNA ove strukture može se riješiti na dva načina. Ako se drugi rez endonukleotida pojavljuje u istom pojasu u kojem se prvi pojavio, ne generira se rekombinacija. Ako se drugi rez dogodi u drugom pojasu, dobiveni proizvodi su rekombinantni.

Rekombinacija V (D) J

To je vrsta somatske rekombinacije (ne meiotičke) koja doprinosi stvaranju ogromne varijabilnosti antitijela imunološkog sustava.

Ova rekombinacija se provjerava u pojedinim fragmentima gena koji kodiraju polipeptidne lance koji ih definiraju. Izvodi se pomoću B stanica i uključuje različite genetske regije.

Zanimljivo je da postoje paraziti Trypanosoma brucei koji koriste sličan rekombinacijski mehanizam za stvaranje varijabilnosti u površinskom antigenu. Na taj način, oni mogu izbjeći odgovor domaćina ako ne generira antitijelo sposobno za prepoznavanje "novog" antigena..

-Nehomologna rekombinacija

Konačno, postoje rekombinacijski procesi koji ne ovise o sličnosti sekvenci sudjelujućih molekula. Kod eukariota je vrlo važno, na primjer, rekombinacija nehomolognih završetaka.

To se događa s fragmentima DNA koji imaju dvostruki pojas u DNA. Oni se "popravljaju" od strane ćelije koja ih spaja s drugim fragmentima jednako s dvostrukim pukotinama.

Međutim, te molekule ne moraju nužno biti slične da bi sudjelovale u tom procesu rekombinacije. To jest, popravljanjem oštećenja, stanica može vezati nepovezane DNA, stvarajući stvarno novu (rekombinantnu) molekulu.. 

Važnost rekombinacije

Važnost kao uzrok: replikacija i popravak DNA

Rekombinacija jamči vjernost DNA informacija tijekom i nakon procesa replikacije. Rekombinacija otkriva oštećenje DNA tijekom procesa stvaranja novih traka u ovoj iznimno dugoj makromolekuli.

Budući da svaki bend ima svoju informaciju, kao i njezinu dopunu, rekombinacija jamči da nitko nije izgubljen. Svaki od njih djeluje kao svjedok drugom. Slično tome, u diploidnim organizmima, homologni kromosom je svjedok njegovog brata, i obrnuto.

S druge strane, kad se DNK replicira, mehanizmi popravka oštećenja ove molekule su različiti. Neki su izravni (djeluju izravno na ozljedu), a drugi su neizravni.

Mehanizmi neizravnih popravaka ovise o rekombinaciji koju treba provesti. Naime, za popravak oštećenja u jednoj molekuli DNA koristi se druga homologna molekula. To bi djelovalo u reparativnoj rekombinaciji kao kalup koji je pretrpio oštećenje.

Značaj kao posljedica: generiranje genetske varijabilnosti

Rekombinacija je sposobna stvoriti enormnu kromosomsku varijabilnost tijekom mejoze. Somatska rekombinacija također stvara varijabilnost, kao u slučaju protutijela u kralježnjaka.

U mnogim organizmima mejoza je gamética. U organizmima sa spolnom reprodukcijom, rekombinacija se pokazala kao jedan od najmoćnijih načina generiranja varijabilnosti.

Odnosno, na spontanu mutaciju i segregaciju kromosoma potrebno je dodati rekombinaciju kao još jedan generatorski element gametske varijabilnosti.

Integracija bakteriofagnih genoma pomoću site-specific rekombinacije, s druge strane, doprinijela je remodeliranju genoma njihovih bakterija domaćina.

To je doprinijelo stvaranju genomske varijabilnosti i evolucije ove važne skupine živih bića.

Rekombinacija i zdravlje

Već smo vidjeli da se DNK može popraviti, ali ne i ono što je šteti. Zapravo, gotovo sve može oštetiti DNK, počevši s neispravnom replikacijom koja nije ispravljena.

Ali osim toga, DNA može biti oštećena UV svjetlom, ionizirajućim zračenjem, slobodnim radikalima kisika proizvodom staničnog disanja, i što jedemo, pušimo, dišemo, jedemo ili dodirujemo.

Srećom, ne morate odustati od života kako biste zaštitili DNK. Moramo se odreći određenih stvari, ali veliki posao obavlja sama stanica. Ti mehanizmi otkrivanja oštećenja DNK i njihovog popravka očito imaju genetsku osnovu, a njezin nedostatak, ogromne posljedice.

Bolesti povezane s defektima u homolognoj rekombinaciji uključuju, na primjer, Bloomov i Werner-ove sindrome, obiteljski rak dojke i jajnika, itd..

reference

  1. Alberts, B., Johnson, A.D., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6. izdanje). W. W. Norton & Company, New York, NY, USA.
  2. Bell, J.C., Kowalczykowski, S.C. (2016) Mehanika i ispitivanje s jednom molekulom rekombinacije DNA. Godišnji pregled biokemije, 85: 193-226.
  3. Prado, F. () Homologna rekombinacija: Fork and Beyond. Geni, doi: 10.3390 / genes9120603
  4. Griffiths, A. J.F., Wessler, R., Carroll, S.B., Doebley, J. (2015). Uvod u genetsku analizu (11. izdanje). New York: W. H. Freeman, New York, NY, SAD.
  5. Tock, A.J., Henderson, I.R. (2018) Žarišne točke za pokretanje meiotičke rekombinacije. Granice u genetici, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
  6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) Profagi u Salmonella enterica: pokretačka sila u preoblikovanju genoma i fiziologije njihovog bakterijskog domaćina? Molekularna mikrobiologija, doi: 10.1111 / mmi.14167.
  7. Wright, W.D., Shah, S., Heyer, W.D. (2018) Homologna rekombinacija i popravak dvožnih lanaca DNA. Journal of Biological Chemistry, 293: 10524-10535