HOMOLOŠKA REKOMBINACIJA: FUNKCIJE, MEHANIZAM I PRIMJENE - BIOLOGIJA - 2026

Homologna rekombinacija je proces koji uključuje razmjenu DNA molekula između sličnih ili istih dijelova genoma. Stanice se koriste homolognom rekombinacijom uglavnom za popravljanje puknuća genetskog materijala, generirajući genetsku varijaciju u populaciji.

Općenito, homologna rekombinacija uključuje fizičko udruživanje između homolognih područja genetskog materijala, nakon čega slijedi razbijanje lanaca koji će biti podvrgnuti razmjeni i konačno spajanje novih kombiniranih molekula DNA.

Rekombinacija između dva homologna kromosoma.

Izvor: Emw

Kršenja DNK moraju se popraviti što je brže i učinkovitije. Ako se šteta ne popravi, posljedice mogu biti ozbiljne, pa čak i smrtonosne. U bakterijama je glavna funkcija homologne rekombinacije popraviti ove prekide u genetskom materijalu.

Homološka rekombinacija smatra se jednim od glavnih mehanizama koji omogućuju stabilnost genoma. Prisutna je u svim domenama života, pa čak i u virusima, pa je vjerojatno da je to važan mehanizam koji se pojavio vrlo rano u evoluciji života.

Povijesna perspektiva

Jedno od najvažnijih načela koje je predložio Gregor Mendel sastoji se od neovisnosti u segregaciji likova. Prema ovom zakonu različiti geni se samostalno prenose s roditelja na dijete.

Međutim, 1900. godine postojalo je vrlo izražene iznimke od ovog načela. Engleski genetičari Bateson i Punnett pokazali su da se mnogo puta određene osobine nasljeđuju zajedno, a za te osobine načelo koje je iznio Mendel ne vrijedi.

Naknadna istraživanja uspjela su rasvijetliti postojanje procesa rekombinacije u kojem su stanice mogle razmjenjivati ​​genetski materijal. U slučajevima kada geni nasljeđuju zajedno, DNK nije razmijenjena zbog fizičke bliskosti između gena.

Što je homološka rekombinacija?

Homološka rekombinacija je stanični fenomen koji uključuje fizičku razmjenu DNK nizova između dva kromosoma. Rekombinacija uključuje skup gena poznatih kao rec geni. Ovi se kodiraju za različite enzime koji sudjeluju u procesu.

DNA molekule smatraju se "homolognima" kada dijele slične ili identične sekvence više od 100 parova baza. DNK ima male regije koje se mogu međusobno razlikovati, a ove su varijante poznate kao aleli.

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

Taj se proces očito događa u mejozi. Konkretno u fazi u kojoj se kromosomi uparuju u prvoj staničnoj diobi. U ovoj fazi dolazi do razmjene genetskog materijala između kromosoma.

Povijesno je ovaj postupak označen u literaturi korištenjem anglosaksonske riječi prelaska. Ovaj je događaj jedan od rezultata homologne rekombinacije.

Učestalost križanja između dvaju gena istog kromosoma uglavnom ovisi o udaljenosti koja postoji između njih; što je manja fizička udaljenost među njima, to je niža frekvencija razmjene.

Funkcije i posljedice homologne rekombinacije

Na primjer, genetski materijal stalno je izložen oštećenjima, uzrokovanim endogenim i egzogenim izvorima, kao što je zračenje.

Procjenjuje se da ljudske stanice imaju značajan broj DNK lezija, reda desetaka do stotina dnevno. Ove lezije treba popraviti kako bi se izbjegle potencijalne štetne mutacije, replikacija i blok transkripcije i oštećenja na razini kromosoma.

S medicinskog stajališta, oštećenja DNA koja se ne popravlja ispravno rezultiraju razvojem tumora i drugih patologija.

Homološka rekombinacija je događaj koji omogućuje popravak DNK, omogućava oporavak izgubljenih sekvenci, koristeći drugi (homologni) lanac DNA kao predložak.

Ovaj metabolički proces prisutan je u svim oblicima života, osiguravajući visoko vjerni mehanizam koji omogućava popravljanje "praznina" u DNK, dvolančane prekide i umreženosti između niti DNA.

Jedna od najvažnijih posljedica rekombinacije je stvaranje novih genetskih varijacija. Uz mutacije, to su dva procesa koja stvaraju varijacije u živim bićima - zapamtite da je varijacija sirovina evolucije.

Uz to, pruža mehanizam za resetiranje oštećenih vilica za replikaciju.

U bakterijama

U bakterijama su česti događaji horizontalnog prenošenja 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 dolazi do homologne rekombinacije između stanice primatelja i stanice donora.

Mehanizam

Homološka rekombinacija započinje raspadom u jednom od lanaca molekule kromosomske DNK. Nakon toga, događa se niz koraka kataliziranih od strane više enzima.

Na kraju od 3 'gdje dolazi do rezanja probija se homologni dvostruki lanac DNK. Proces invazije je presudan. Pod "homolognim lancem" podrazumijevamo dijelove kromosoma koji imaju iste gene u linearnom redoslijedu, iako nukleotidne sekvence ne moraju biti identične.

sinapsa

Ova invazija na niz stavlja homologne kromosome jedan prema drugome. Ovaj fenomen susreta nitima naziva se sinapsija (da se ne miješa sa sinapsom u neuronima, ovdje se termin koristi s drugim značenjem).

Sinapsija ne podrazumijeva nužno izravan kontakt između obje homologne sekvence, DNK se može nastaviti kretati neko vrijeme dok ne nađe homologni dio. Taj se postupak pretraživanja naziva homologno poravnanje.

Formiranje D-petlje

Tada se događa događaj nazvan "invazija crijeva". Hromosom je dvostruka spirala DNK. U homolognoj rekombinaciji, dva kromosoma traže svoje homologne sekvence. U jednom od spirala, žice se odvajaju i ta žica "upada" u dvostruku strukturu spirale, tvoreći strukturu koja se zove D petlja.

Niz D-petlje pomaknut je invazijom lomljive lome i parira se s komplementarnim žicama izvorne dvostruke spirale.

Formiranje prazničnog čvora

Sljedeći je korak formiranje Hollidayevih sindikata. Ovdje su krajevi izmijenjenih niti povezani zajedno. Ovaj savez ima mogućnost kretanja u bilo kojem smjeru. Zglob se može slomiti i oblikovati više puta.

Konačni proces rekombinacije je razrješenje ovih unija i postoje dva načina ili načina na koji stanica to postiže. Jedan od njih je cijepanje sjedinjenja ili procesom zvanim otapanje, tipičnim za eukariotske organizme.

U prvom mehanizmu, razbijanjem Hollidayevog čvora regeneriraju se dva lanca. U drugom slučaju "rastvaranja" dolazi do svojevrsnog kolapsa u sindikatu.

Proteini koji su uključeni

Ključni protein u procesu rekombinacije naziva se Rad51 u eukariotskim stanicama, a RecA u Escherichia coli. Djeluje u različitim fazama rekombinacije: prije, za vrijeme i nakon sinapse.

Protein Rad51 olakšava stvaranje fizičke veze između invazivne DNK i kaljene DNK. U ovom procesu nastaje heterodupleksna DNA.

Rad51 i njegov kolega RecA kataliziraju potragu za homolognom DNK i razmjenu lanaca DNK. Ovi proteini imaju sposobnost kooperativnog vezanja za jednopojasnu DNK.

Postoje i paralogni geni (nastali iz događaja umnožavanja gena u rodu organizama) Rad51, koji se nazivaju Rad55 i Rad57. U ljudi je identificirano pet gena Rad51 paraloga koji se nazivaju Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 i Xrcc3.

Anomalije povezane s procesima rekombinacije

Budući da rekombinacija zahtijeva fizičko vezanje na kromosome, to je ključni korak u pravilnoj segregaciji tijekom mejoze. Ako se ne dogodi pravilna rekombinacija, rezultat može biti glavna patologija.

Nedisjunkcija kromosoma ili pogreške u segregaciji jedan je od najčešćih uzroka pobačaja i anomalija kromosomskog porijekla, poput trisomije kromosoma 21, što uzrokuje Downov sindrom.

Iako je rekombinacija obično prilično precizan postupak, regije genoma koje se ponavljaju i geni koji imaju višestruke kopije u genomu skloni su neravnomjernom unakrsnom presijecanju.

Ovo križanje daje različite klinički značajne osobine, uključujući uobičajene bolesti poput talasemije i autizma.

Primjene za rekombinaciju

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

Ti genetski modificirani organizmi omogućuju rasvjetljavanje funkcije gena od interesa.

Jedna od metodologija koja se koristi za stvaranje knockouta sastoji se u suzbijanju ekspresije određenog gena zamjenom izvornog gena s modificiranom ili "oštećenom" verzijom. Gen se zamijeni za mutiranu inačicu homolognom rekombinacijom.

Ostale vrste rekombinacije

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

Kada su regije DNA koje razmjenjuju materijal nealelne (homologni kromosomi), rezultat je umnožavanje ili smanjivanje gena. Ovaj je postupak poznat kao nehomološka rekombinacija ili nejednaka rekombinacija.

Zajedno, genetski materijal se također može izmjenjivati ​​između sestrinskih kromatida na istom kromosomu. Taj se proces događa i u mejotskoj i mitotskoj podjeli, a naziva se nejednakom razmjenom.

Reference

1. Baker, TA, Watson, JD, & Bell, SP (2003). Molekularna biologija gena. Izdavačka kuća Benjamin-Cummings.
2. Devlin, TM (2004). Biokemija: udžbenik s kliničkom primjenom. Preokrenuo sam se.
3. Jasin, M., i Rothstein, R. (2013). Popravak puknuća niti s homolognom rekombinacijom. Perspektive Cold Spring Harbor iz biologije, 5 (11), a012740.
4. Li, X., i Heyer, WD (2008). Homološka rekombinacija u popravku DNA i tolerancija oštećenja DNA. Stanično istraživanje, 18 (1), 99-113.
5. Murray, PR, Rosenthal, KS, i Pfaller, MA (2017). Medicinska mikrobiologija. Elsevier Health Sciences.
6. Nussbaum, RL, McInnes, RR, & Willard, HF (2015). Thompson & Thompson genetika u medicini e-knjiga. Elsevier Health Sciences.
7. Virgili, RO, i Taboada, JMV (2006). Ljudski genom: novi napredak u istraživanju, dijagnozi i liječenju. Izdanja Universitat Barcelona.