Homologne rekombinacijske funkcije, mehanizam i primjene



homologna rekombinacija to je proces koji uključuje razmjenu molekula DNA između sličnih ili identičnih dijelova genoma. Stanice koriste homolognu rekombinaciju uglavnom za popravak prekida genetskog materijala, generirajući genetske varijacije u populacijama.

Općenito, homologna rekombinacija podrazumijeva fizičko sparivanje između homolognih zona genetskog materijala, nakon čega slijedi razbijanje lanaca koji će biti podvrgnuti razmjeni, i konačno, udruživanje novih molekula DNA zajedno.

Prekidi u DNK moraju se popraviti što je brže i učinkovitije moguće. Kada se šteta ne popravi, posljedice mogu biti ozbiljne i čak smrtonosne. Kod bakterija je glavna funkcija homologne rekombinacije popravak tih prekida u genetskom materijalu.

Homologna rekombinacija smatra se jednim od glavnih mehanizama koji omogućuju stabilnost genoma. Prisutna je u svim područjima života, pa čak iu virusima, pa je vjerojatno da je to vitalni mehanizam koji se pojavio vrlo rano u evoluciji života..

indeks

  • 1 Povijesna perspektiva
  • 2 Što je homologna rekombinacija?
  • 3 Funkcije i posljedice homologne rekombinacije
    • 3.1 Kod bakterija
  • 4 Mehanizam
    • 4.1 Sinapse
    • 4.2 Obuka D petlje
    • 4.3. Formiranje holiday sindikata
    • 4.4 Uključeni proteini
  • 5 Abnormalnosti povezane s procesima rekombinacije
  • 6 Primjena rekombinacije
  • 7 Ostale vrste rekombinacije
  • 8 Reference

Povijesna perspektiva

Jedan od najvažnijih principa koje je predložio Gregor Mendel je neovisnost u segregaciji likova. Prema ovom zakonu, različiti geni samostalno prolaze od roditelja prema djeci.

Međutim, 1900. godine vidljivo je postojanje vrlo izraženih iznimaka od ovog načela. Engleski genetičari Bateson i Punnett pokazali su da se često mnogi likovi nasljeđuju zajedno, a za ove značajke načelo koje je objavio Mendel nema nikakvu valjanost.

Kasnija istraživanja uspjela su razjasniti postojanje procesa rekombinacije, gdje su stanice mogle izmijeniti genetski materijal. U slučajevima kada su geni naslijeđeni zajedno, DNA nije zamijenjena zbog fizičke bliskosti između gena.

Što je homologna rekombinacija?

Homologna rekombinacija je stanična pojava koja uključuje fizičku razmjenu DNA sekvenci između dva kromosoma. Rekombinacija uključuje skup gena poznatih kao geni rec. Ovo je kod za različite enzime uključene u proces.

DNA molekule se smatraju "homolognim" kada dijele slične ili identične sekvence od više od 100 parova baza. DNA ima male regije koje se mogu razlikovati jedna od druge, a te su varijante poznate kao aleli.

U živim bićima, sva se DNA smatra rekombinantnom DNA. Razmjena genetskog materijala između kromosoma odvija se kontinuirano, miješanjem i preraspodjelom gena u kromosomima.

Taj se proces očigledno događa u mejozi. Posebno u fazi u kojoj su kromosomi upareni u prvoj staničnoj diobi. U ovoj fazi dolazi do razmjene genetskog materijala između kromosoma.

Povijesno gledano, taj je proces u literaturi označen pomoću anglosaksonske riječi prijeći preko. Ovaj događaj je jedan od rezultata homologne rekombinacije.

Učestalost prijeći preko između dva gena istog kromosoma ovisi uglavnom o udaljenosti između ta dva; što je manja fizička udaljenost između njih, to je manja učestalost razmjene.

Funkcije i posljedice homologne rekombinacije

Genetski materijal je stalno izložen oštećenjima uzrokovanim, primjerice, endogenim i egzogenim izvorima, kao što je zračenje.

Procjenjuje se da ljudske stanice predstavljaju značajan broj lezija u DNA, reda desetaka do stotina dnevno. Ove lezije treba popraviti kako bi se izbjegli potencijalni štetni mutacije, blokade u replikaciji i transkripciji i oštećenja na kromosomskoj razini..

S medicinskog stajališta, oštećenje DNA koje nije ispravno ispravljeno rezultira razvojem tumora i drugih patologija.

Homologna rekombinacija je događaj koji omogućuje popravak u DNA, omogućujući oporavak izgubljenih sekvenci, koristeći kao uzorak drugi lanac DNA (homologni).

Ovaj metabolički proces prisutan je u svim oblicima života, pružajući mehanizam visoke vjernosti koji omogućuje popravak "praznina" u DNA, dvostrukih prekida i unakrsnih veza između DNA lanaca.

Jedna od najrelevantnijih posljedica rekombinacije je stvaranje novih genetskih varijacija. Zajedno s mutacijama, to su dva procesa koji generiraju varijacije u živim bićima - zapamtite da je varijacija sirovina za evoluciju.

Osim toga, on osigurava mehanizam za ponovno pokretanje oštećenih vilica za replikaciju.

Kod bakterija

Kod bakterija postoje česti događaji horizontalnog prijenosa gena. Oni su klasificirani kao konjugacija, transformacija i transdukcija. Ovdje prokarioti uzimaju DNK iz drugog organizma, pa čak i iz različitih vrsta.

Tijekom tih procesa, homologna rekombinacija se događa između stanice primatelja i stanice davatelja.

mehanizam

Homologna rekombinacija započinje prekidom u jednom od lanaca kromosomske molekule DNA. Nakon toga dolazi do niza koraka kataliziranih višestrukim enzimima.

Na kraju 3'-mjesta gdje se pojavljuje rez je provalila dvostruka homologna DNA lanac. Proces invazije je presudan. S "homolognim lancem" želimo se pozvati na dijelove kromosoma koji imaju iste gene u linearnom poretku, iako nukleotidne sekvence ne moraju biti identične..

sinapsa

Ova invazija lanca smješta homologne kromosome jedan nasuprot drugome. Ovaj fenomen susreta s pramenovima naziva se sinapsa (ne smije se miješati sa sinapsama u neuronima, ovdje se izraz koristi s drugim značenjem).

Sinapsa ne mora nužno podrazumijevati direktan kontakt između obje homologne sekvence, DNA se može nastaviti kretati neko vrijeme dok ne pronađe homologni dio. Taj postupak pretraživanja naziva se homologno poravnanje.

Formiranje D petlje

Zatim se događa događaj nazvan "invazija niti". Kromosom je dvostruka spirala DNA. U homolognoj rekombinaciji dva kromosoma traže svoje homologne sekvence. U jednoj od spirala, niti se odvajaju, a ova cjedilu "napada" strukturu dvostruke zavojnice, tvoreći strukturu koja se naziva petlja D.

Lanac D petlje je zamijenjen invazijom lanca koji predstavlja rupturu i parove s komplementarnim lancem izvorne dvostruke spirale.

Formiranje holiday sindikata

Sljedeći korak je formiranje križa Holliday. Ovdje su krajevi razmijenjenih niti povezani. Ovaj sindikat ima sposobnost kretanja u bilo kojem smjeru. Sindikat se može slomiti i oblikovati u više navrata.

Konačni proces rekombinacije je razlučivanje tih spojeva i postoje dva načina ili načina na koji ga stanica postiže. Jedan od njih je cijepanje sindroma ili proces koji se naziva rastvaranje, tipičan za eukariotske organizme.

U prvom mehanizmu, razbijanje unije Hollidaya obnavlja dva lanca. U drugom slučaju "raspadanja" javlja se neka vrsta kolapsa u sindikatu.

Uključeni proteini

Ključni protein u procesu rekombinacije nazvan je Rad51 u eukariotskim stanicama, a RecA u Escherichia coli. Djeluje u različitim fazama rekombinacije: prije, tijekom i nakon sinapse.

Protein Rad51 olakšava formiranje fizičke veze između invazivne DNA i kaljene DNA. U tom procesu nastaje heterodupleksna DNA.

Rad51 i njegov homolog RecA kataliziraju potragu za homolognom DNA i izmjenom DNA lanaca. Ovi proteini imaju sposobnost da se udružuju zajedno s jednom trakom DNA.

Postoje i paralogični geni (nastali iz događaja dupliciranja gena u liniji organizama) Rad51, nazvanog Rad55 i Rad57. U ljudi je identificirano pet Rad51 paralog gena nazvanih Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 i Xrcc3..

Abnormalnosti povezane s procesima rekombinacije

Kako rekombinacija zahtijeva fizičko vezanje u kromosomima, to je ključan korak u ispravnoj segregaciji tijekom mejoze. Ako se ne dogodi odgovarajuća rekombinacija, rezultat može biti značajna patologija.

Ne-disjunkcija kromosoma ili greške u segregaciji jedan je od najčešćih uzroka pobačaja i anomalija kromosomskog podrijetla, kao što je trisomija kromosoma 21, koja uzrokuje Downov sindrom.

Iako je rekombinacija obično prilično precizan proces, regije genoma koje se ponavljaju i geni koji imaju više kopija duž genoma su elementi skloni nejednak prijelaz.

Ovo križanje proizvodi različite kliničke osobine, uključujući česte bolesti poput talasemije i autizma..

Primjene rekombinacije

Molekularni biolozi iskoristili su znanje o mehanizmu homologne rekombinacije za stvaranje različitih tehnologija. Jedan od njih omogućuje stvaranje organizama "nokaut".

Ovi genetski modificirani organizmi omogućuju rasvjetljavanje funkcije gena od interesa.

Jedna od metodologija korištenih za stvaranje nokauti sastoji se od supresije ekspresije specifičnog gena koji zamjenjuje izvorni gen modificiranom ili "oštećenom" verzijom. Gen se zamjenjuje za mutiranu verziju pomoću homologne rekombinacije.

Ostale vrste rekombinacije

Osim homologne ili legitimne rekombinacije, postoje i druge vrste razmjene genetskog materijala.

Kada su područja DNA koja razmjenjuju materijal nealelna (homolognih kromosoma), rezultat je umnožavanje ili redukcija gena. Ovaj proces je poznat kao nehomologna rekombinacija ili neujednačena rekombinacija.

Zajedno, genetski materijal se također može razmjenjivati ​​između sestrinskih kromatida istog kromosoma. Taj se proces odvija u meiotičkoj i mitotičkoj podjeli, a naziva se nejednaka razmjena.

reference

  1. Baker, T.A., Watson, J.D., & Bell, S.P. (2003). Molekularna biologija gena. Izdavačka tvrtka Benjamin-Cummings.
  2. Devlin, T. M. (2004). Biokemija: udžbenik s kliničkom primjenom. Preokrenuo sam.
  3. Jasin, M., & Rothstein, R. (2013). Popravak loma pramenova homolognom rekombinacijom. Cold Spring Harbor perspektive u biologiji, 5(11), a012740.
  4. Li, X., & Heyer, W. D. (2008). Homologna rekombinacija u popravku DNA i tolerancija oštećenja DNA. Istraživanje stanica, 18(1), 99-113.
  5. Murray, P.R., Rosenthal, K., & Pfaller, M.A. (2017). Medicinska mikrobiologija. Elsevier Health Sciences.
  6. Nussbaum, R. L., McInnes, R. R., i Willard, H. F. (2015). Thompson & Thompson genetika u medicini e-knjiga. Elsevier Health Sciences.
  7. Virgili, R. O. i Taboada, J. M. V. (2006). Ljudski genom: novi napredak u istraživanju, dijagnostici i liječenju. Edicions Universitat Barcelona.