GENETSKA REKOMBINACIJA: VRSTE I MEHANIZMI - BIOLOGIJA - 2026

Genetičke rekombinacije je proces kojim se molekule nukleinskih kiselina fragmenata razmjenjuju generiranje nove molekule. Vrlo je česta u DNK, ali RNA je i supstrat za rekombinaciju. Rekombinacija je, nakon mutacije, najvažniji izvor stvaranja genetske varijabilnosti.

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

Opći koraci rekombinacije DNA. Juergen Bode, putem Wikimedia Commonsa

No uz sve to, DNA je također sposobna razmjenjivati ​​fragmente. Kroz ovaj postupak se stvaraju nove kombinacije koje nisu proizvod dva prethodna procesa, niti gnojidbe.

Sav proces rekombinacije uključuje razbijanje i spajanje molekula DNA koji sudjeluju u procesu. Taj mehanizam varira ovisno o supstranu rekombinacije, enzimima koji sudjeluju u procesu i mehanizmu njegovog provođenja.

Rekombinacija općenito ovisi o postojanju komplementarnih, sličnih (ako nisu identične) ili homolognih područja između rekombiniranih molekula. U slučaju da se molekule rekombiniraju u procesima koji nisu vođeni homologijom, kaže se da je rekombinacija nehomološka.

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

Definicija

Ono što u rekombinaciji nazivamo homologijom ne odnosi se nužno na evolucijsko podrijetlo molekula koje sudjeluju. Umjesto toga, govorimo o stupnju sličnosti u nukleotidnom slijedu.

Na primjer, nepovratna rekombinacija javlja se u eukariota tijekom procesa mejoze. Nesumnjivo, ne može biti veća homologija nego između parova kromosoma u istoj stanici.

Zbog toga ih nazivaju homologni kromosomi. Međutim, postoje slučajevi u kojima DNK stanice razmjenjuje materijal sa stranom DNK. Te DNK moraju biti vrlo slične rekombinantnim, ali ne moraju nužno dijeliti istog pretka (homologiju) da bi to postigle.

Chiasm i crossover

Mjesto vezivanja i razmjene između dvije molekule DNK naziva se cijazam, a sam postupak naziva umrežavanje. Tijekom crossovera provjerava se razmjena pojasa između sudjelujućih DNA.

To stvara kointegrat, koji je dvije molekule DNA fizički spojene u jednu. Kad se kointegrat "rastopi", nastaju dvije molekule, uglavnom promijenjene (rekombinantne).

"Riješiti" se, u kontekstu rekombinacije, podrazumijeva odvajanje komponentnih molekula DNA u kointegratu.

Vrste genetske rekombinacije

-Scifična rekombinacija

U mjestu specifične rekombinacije, dvije molekule DNA, koje uglavnom nisu homologne, imaju kratku sekvencu zajedničku obje. Taj niz je meta specifičnog enzima za spajanje.

Enzim, koji može prepoznati ovu sekvencu, a ne drugu, reže je na određenom mjestu u obje molekule. Uz pomoć nekih drugih faktora, on zamijeni DNA trake dviju molekula koje sudjeluju i stvara kointegrat.

Escherichia coli

To je osnova za stvaranje kointegrata između genoma bakterije Escherichia coli i bakterije bakteriofaga lambda. Bakteriofag je virus koji zaražava bakterije.

Stvaranje ovog kointegrata provodi enzim kodiran u genomu virusa: lambda integraza. Prepoznaje zajedničku sekvencu koja se naziva attP u kružnom genomu virusa, a attB u bakteriji.

Rezanjem slijeda u obje molekule on stvara slobodne segmente, mijenja zamjene i spaja dva genoma. Tada se formira veći, odnosno kointegrirani krug.

U kointegraciji virusni genom pasivno nosi bakterijski genom, s kojim se razmnožava. U tom se stanju kaže da je virus u provirusnom stanju, te da je bakterija za njega lizogena.

Obrnuti proces, tj. Rezolucija kointegracije, može trajati mnogo generacija - ili se čak i ne može dogoditi. Međutim, na taj način enzimski posreduje drugi protein kodiran genom virusa zvan ekscizijaza. Kada se to dogodi, virus se odvoji od kointegrata, reaktivira se i uzrokuje lizu stanica.

-Homološka rekombinacija

Generalizirana rekombinacija

Homološka rekombinacija događa se između molekula DNA koje imaju najmanje oko 40 nukleotida potpune ili gotovo potpune sličnosti. Da bi se proveo postupak rekombinacije, mora biti uključena barem jedna endonukleaza.

Endonucleases su enzimi koji čine unutarnje posjekotine u DNK. Neki to čine kako bi razgradili DNK. Drugi, kao u slučaju rekombinacije, to čine kako bi stvorili udubljenje u DNK.

Ovaj jedinstveni nadimak omogućava obradu jednopojasne DNK sa slobodnim krajem. Ovaj slobodni kraj, orijentiran rekombinatom, omogućava jednoj traci da napadne dvostruku DNK, istiskujući rezidencijalni pojas identičan njemu.

Ovo je točka križanja između molekule DNK davatelja („napadača“) i drugog receptora.

Enzim (rekombinaza) koji provodi invaziju i izmjenu pojasa u Escherichia coli naziva se RecA. U prokariotima postoje i drugi homologni proteini, poput RadA u arheama. U eukariotama ekvivalentni enzim naziva se RAD51.

Jednom kada invazivna traka izmijeni prebivalište, ona stupa u interakciju s pojasom koji je ostao jednostavan u molekuli donora. Oba mjesta su zapečaćena djelovanjem ligaze.

Sada imamo DNK hibridnog pojasa (donorski bend i recipijentni bend, različitog porijekla) koji je povezan s DNK donora i primateljevom DNK. Križne točke (chiasmata) kreću se u oba smjera za najmanje 200 bp.

Svaka točka crossovera tvori ono što je poznato kao Holliday struktura (razapnuti DNK proizvod rekombinacije).

Taj križni oblik DNA mora se riješiti drugim endonukleazama. Kimerna ili hibridna DNA ove strukture može se razriješiti na dva načina. Ako se drugi endonukleotidni rez pojavi u istom pojasu kao i prvi, ne dolazi do rekombinacije. Ako se drugi rez pojavi u drugom pojasu, dobiveni proizvodi su rekombinantni.

Rekombinantna DNA u Holliday strukturi. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Mao-4armjunction-schematic.png.

Rekombinacija V (D) J

Ovo je vrsta somatske rekombinacije (ne mejotičke) koja pridonosi stvaranju u ogromnoj varijabilnosti antitijela imunološkog sustava.

Ta se rekombinacija događa posebno u fragmentima gena koji kodiraju polipeptidne lance koji ih definiraju. Izvode ga B stanice i uključuju različite genetske regije.

Zanimljivo je da postoje paraziti poput Trypanosoma brucei koji koriste sličan mehanizam rekombinacije da bi stvorili varijabilnost površinskog antigena. Na taj način, oni mogu izbjeći odgovor domaćina ako domaćin ne uspije stvoriti antitijelo sposobno prepoznati "novi" antigen.

Raznolikost antitijela stvorenih rekombinacijom. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Cambio_clase_recombinacion.PNG

-Ne homologna rekombinacija

Konačno, postoje procesi rekombinacije koji ne ovise o sličnosti u slijedu molekula. Primjerice, u eukariotama je vrlo važna rekombinacija nehomoloških krajeva.

To se događa s fragmentima DNK koji pokazuju dvostruke proboje u DNA. Njih stanica "popravlja" tako da ih stanica pridruži ostalim fragmentima, također s dvostrukim prijelomima redova.

Međutim, te molekule ne moraju nužno biti slične da bi sudjelovale u ovom procesu rekombinacije. To jest, popravljanjem oštećenja stanica se može pridružiti nepovezanim DNK-ima, stvarajući doista novu (rekombinantnu) molekulu.

Važnost rekombinacije

Važnost kao uzrok: umnožavanje i popravljanje DNK

Rekombinacija osigurava vjernost DNK informacija tijekom i nakon procesa replikacije. Rekombinacijom se otkrivaju oštećenja DNA tijekom novog procesa vezivanja u ovoj izuzetno dugoj makromolekuli.

Budući da svaki bend ima svoje podatke i one njihove komplementarne, rekombinacija jamči da nijedan nije izgubljen. Svaki djeluje kao svjedok drugome. Slično tome, u diploidnim organizmima homologni kromosom svjedoči o svom bratu i obrnuto.

S druge strane, jednom kad se replicira DNK, mehanizmi popravljanja oštećenja ove molekule se mijenjaju. Neki su izravni (ozljeda djeluje izravno), a drugi su neizravni.

Neizravni mehanizmi popravka ovise o rekombinaciji koja će se obaviti. Odnosno, za popravljanje oštećenja u molekuli DNA koristi se druga homologna molekula. To bi djelovalo u reparativnoj rekombinaciji kao obrazac od kojeg je pretrpjela štetu.

Važnost kao posljedica: stvaranje genetske varijabilnosti

Rekombinacija može stvoriti ogromnu varijabilnost kromosoma tijekom mejoze. Somatska rekombinacija također stvara varijabilnost, kao u slučaju protutijela u kralježnjaka.

U mnogim organizmima mejoza je geticka. U seksualno razmnožavajućim se organizmima rekombinacija ispada kao jedan od najsnažnijih načina stvaranja varijabilnosti.

Drugim riječima, spontanoj mutaciji i kromosomskoj segregaciji mora se dodati rekombinacija kao još jedan element koji stvara gametsku varijabilnost.

Integriranje bakteriofagenih genoma lokalnim rekombinacijama pridonosilo je preuređivanju genoma bakterija domaćina.

To je pridonijelo 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 oštećuje. U stvarnosti, gotovo sve može oštetiti DNK, počevši od pogrešne replikacije koja ostaje neispravljena.

Ali osim toga, DNA može biti oštećena UV svjetlošću, ionizirajućim zračenjem, slobodnim kisikovim radikalima iz staničnog disanja i onim što jedemo, pušimo, dišemo, gutamo ili dodirujemo.

Srećom, ne morate se odreći života da biste zaštitili DNK. Određenih stvari se treba odreći, ali veliki posao obavlja sama ćelija. Ti mehanizmi za otkrivanje oštećenja DNK i njegovo saniranje očito imaju genetsku osnovu, a njihov nedostatak ogromne posljedice.

Bolesti povezane s defektima homologne rekombinacije uključuju, na primjer, Bloomove i Wernerove sindrome, obiteljski karcinom dojke i jajnika, itd.

Reference

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6. izdanje). WW Norton & Company, New York, NY, SAD.
2. Bell, JC, Kowalczykowski, SC (2016) Mehanika i ispitivanje molekulskih rekombinacija DNA. Godišnji pregled biokemije, 85: 193-226.
3. Prado, F. () Homološka rekombinacija: do vilice i dalje. Geni, doi: 10,3390 / geni9120603
4. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). Uvod u genetsku analizu (11. izd.). New York: WH Freeman, New York, NY, SAD.
5. Tock, AJ, Henderson, IR (2018) Točne točke za pokretanje mejotske rekombinacije. Frontiers in Genetics, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) Prophages in Salmonella enterica: pokretačka snaga u preoblikovanju genoma i fiziologije njihovog bakterijskog domaćina? Molekularna mikrobiologija, doi: 10.1111 / mmi.14167.
7. Wright, WD, Shah, SS, Heyer, WD (2018) Homološka rekombinacija i popravak dvostrukih lomova DNA. Časopis za biološku kemiju, 293: 10524-10535