GENEETTINEN REKOMBINAATIO: TYYPIT JA MEKANISMIT - BIOLOGIA - 2025

Geneettinen rekombinaatio on prosessi, jossa molekyylit nukleiinihappofragmenttien vaihdetaan tuottaa uuden molekyylin. Se on hyvin yleinen DNA: ssa, mutta RNA on myös substraatti rekombinaatiolle. Rekombinaatio on mutaation jälkeen tärkein geneettisen vaihtelevuuden synnyttäjä.

DNA osallistuu erilaisiin biokemiallisiin prosesseihin. Replikaation aikana se toimii templaattina kahden uuden DNA-molekyylin generoimiseksi. Transkriptiossa se tekee mahdolliseksi tuottaa RNA-molekyylejä spesifisistä alueista, joita promoottori hallitsee.

DNA-rekombinaation yleiset vaiheet. Juergen Bode, Wikimedia Commonsin kautta

Mutta tämän lisäksi DNA pystyy myös vaihtamaan fragmentteja. Tämän prosessin avulla se tuottaa uusia yhdistelmiä, jotka eivät ole kahden edellisen prosessin tai hedelmöityksen tuotetta.

Kaikki rekombinaatioprosessi sisältää prosessiin osallistuvien DNA-molekyylien rikkoutumisen ja liittymisen. Tämä mekanismi vaihtelee riippuen rekombinaatiosubstraatista, prosessiin osallistuvista entsyymeistä ja sen suorittamismekanismista.

Rekombinaatio riippuu yleensä komplementaaristen, samanlaisten (jos ei identtisten) tai homologisten alueiden olemassaolosta rekombinoivien molekyylien välillä. Siinä tapauksessa, että molekyylit rekombinoituvat prosesseissa, joita ei ohjaa homologia, rekombinaation sanotaan olevan ei-homologinen.

Jos homologia sisältää hyvin lyhyen alueen, joka on läsnä molemmissa molekyyleissä, rekombinaation sanotaan olevan paikkaspesifinen.

Määritelmä

Se mitä kutsumme homologiaksi rekombinaatiossa, ei välttämättä tarkoita osallistuvien molekyylien evoluutioalkua. Pikemminkin puhumme nukleotidisekvenssin samankaltaisuusasteesta.

Ei-parantavaa rekombinaatiota esiintyy esimerkiksi eukaryooteissa meioosiprosessin aikana. Epäilemättä ei voi olla suurempaa homologiaa kuin saman solun kromosomipaarien välillä.

Siksi niitä kutsutaan homologisiksi kromosomeiksi. On kuitenkin tapauksia, joissa solun DNA vaihtaa materiaalia vieraan DNA: n kanssa. Näiden DNA: iden on oltava hyvin samankaltaisia ​​kuin yhdistelmä, mutta niiden saavuttamiseksi ei välttämättä tarvitse olla samaa esi-isää (homologiaa).

Kiasmi ja crossover

Kiinnitys- ja vaihtopaikkaa kahden DNA-molekyylin välillä kutsutaan chiasmiksi, ja itse prosessia kutsutaan silloittumiseksi. Risteytyksen aikana nauhojen vaihto osallistuvien DNA: iden välillä varmistetaan.

Tämä tuottaa kointegraatin, joka on kaksi DNA-molekyyliä, jotka fyysisesti yhdistyvät yhdeksi. Kun yhteisintegraatti "loppuu", syntyy kaksi molekyyliä, yleensä muuttuneet (rekombinantit).

"Ratkaiseminen" rekombinaation yhteydessä on erottaa kointegraatin komponentti-DNA-molekyylit.

Geneettisen rekombinaation tyypit

-Sivustokohtainen rekombinaatio

Paikkaspesifisessä rekombinaatiossa kahdella DNA-molekyylillä, jotka eivät yleensä ole homologisia, on lyhyt sekvenssi, joka on yhteinen molemmille. Tämä sekvenssi on tietyn silmukoivan entsyymin kohde.

Entsyymi, joka kykenee tunnistamaan tämän sekvenssin eikä toista, leikkaa sen tietyssä paikassa molemmissa molekyyleissä. Joidenkin muiden tekijöiden avulla se vaihtaa kahden osallistuvan molekyylin DNA-nauhat ja muodostaa kointegraatin.

Escherichia coli

Tämä on perusta kointegraatin muodostumiselle Escherichia coli -bakteerin ja bakteeri-faagi lambda -genomin välillä. Bakteriofagi on virus, joka tartuttaa bakteereja.

Tämän kointegraatin muodostuminen suoritetaan virusgenomiin koodatun entsyymin avulla: lambda-integraasi. Se tunnistaa yleisen sekvenssin, jota kutsutaan attP: ksi viruksen pyöreässä genomissa ja attB: n bakteerin genomissa.

Leikkaamalla molemmissa molekyyleissä molemmat sekvenssit, se tuottaa vapaita segmenttejä, vaihtaa nauhat ja yhdistää kaksi genomia. Sitten muodostetaan suurempi tai integroitu ympyrä.

Yhteintegraatiossa virusgenomia kuljettaa passiivisesti bakteerigenomi, jonka kanssa se replikoituu. Tässä tilassa sanotaan, että virus on provirus-tilassa ja että bakteeri on lysogeeninen sille.

Käänteinen prosessi, ts. Kointegraten resoluutio, voi viedä useita sukupolvia - tai jopa tapahtua. Toimenpiteitä välittää kuitenkin entsymaattisesti toinen viruksen genomin koodaama proteiini, nimeltään leikkaus. Kun tämä tapahtuu, virus erottuu yhteisintegraatista, aktivoituu uudelleen ja aiheuttaa solujen hajoamisen.

-Homologinen rekombinaatio

Yleinen rekombinaatio

Homologinen rekombinaatio tapahtuu DNA-molekyylien välillä, joilla on vähintään noin 40 nukleotidia täydellisestä tai melkein täydellisestä samanlaisuudesta. Rekombinaatioprosessin suorittamiseksi vähintään yhden endonukleaasin on oltava mukana.

Endonukleaasit ovat entsyymejä, jotka tekevät sisäisiä leikkauksia DNA: han. Jotkut tekevät sen DNA: n hajottamiseksi. Toiset, kuten rekombinaation tapauksessa, tekevät sen kolon luomiseksi DNA: han.

Tämä ainutlaatuinen nimimerkki mahdollistaa yksikaistaisen DNA: n käsittelemisen vapaalla päällä. Tämä vapaa yhdistelmä, rekombinaasin avulla, sallii yhden kaistan tunkeutua kaksois-DNA: han, syrjäyttäen sen samanlaisen residenssinauhan.

Tämä on luovuttaja ("hyökkääjän") DNA-molekyylin ja toisen reseptorin välinen rajapiste.

Entsyymiä (rekombinaasi), joka suorittaa tunkeutumis- ja kaistavaihtoprosessin Escherichia colissa, kutsutaan RecA: ksi. Prokaryooteissa on muita homologisia proteiineja, kuten RadA archaeassa. Eukaryooteissa ekvivalenttia entsyymiä kutsutaan RAD51.

Kun invasiivinen nauha syrjäyttää asukkaan, se on vuorovaikutuksessa vyöhykkeen kanssa, joka jätettiin yksinkertaiseksi luovuttajamolekyylissä. Molemmat kohdat suljetaan ligaasin vaikutuksella.

Nyt meillä on DNA, joka sisältää hybridikaistoja (luovuttajakaista ja vastaanottajakaista, eri alkuperää), reunustavat luovuttaja-DNA ja vastaanottaja-DNA. Ylityspisteet (chiasmata) liikkuvat molemmissa suunnissa vähintään 200 bp.

Jokainen ristikkopiste muodostaa sen, jota kutsutaan Holliday-rakenteeksi (yhdistelmätapahtuman ristisormi-DNA-tuote).

Tämä ristimäinen DNA on erotettava muilla endonukleaaseilla. Tämän rakenteen kimeerinen tai hybridi-DNA voidaan erottaa kahdella tavalla. Jos toinen endonukleotidileikkaus tapahtuu samalla kaistalla kuin ensimmäinen, rekombinaatiota ei tapahdu. Jos toinen leikkaus tapahtuu toisella vyöhykkeellä, saadut tuotteet ovat rekombinantteja.

Rekombinantti-DNA Holliday-rakenteessa. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Mao-4armjunction-schematic.png.

Rekombinaatio V (D) J

Tämä on eräänlainen somaattinen rekombinaatio (ei meioottinen), joka myötävaikuttaa immuunijärjestelmän vasta-aineiden valtavan vaihtelevuuden tuottamiseen.

Tämä rekombinaatio tapahtuu erityisesti niiden geenien fragmenteista, jotka koodaavat niitä määrittelevät polypeptidiketjut. Sitä suorittavat B-solut ja siihen sisältyy erilaisia ​​geenialueita.

Mielenkiintoista on, että on olemassa loisia, kuten Trypanosoma brucei, jotka käyttävät samanlaista rekombinaatiomekanismia pinta-antigeenin variaatioiden luomiseksi. Tällä tavalla ne voivat välttää isännän vasteen, jos isäntä ei pysty tuottamaan vasta-ainetta, joka kykenee tunnistamaan "uuden" antigeenin.

Rekombinaatiolla luotujen vasta-aineiden monimuotoisuus. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Cambio_clase_recombinacion.PNG

Ei-homologinen rekombinaatio

Lopuksi on rekombinaatioprosesseja, jotka eivät riipu osallistuvien molekyylien sekvenssin samanlaisuudesta. Esimerkiksi eukaryooteissa ei-homologisten päiden rekombinaatio on erittäin tärkeää.

Tämä tapahtuu DNA-fragmenttien kanssa, jotka osoittavat kaksoisnauhakatkoksia DNA: ssa. Nämä "korjaa" solu yhdistämällä ne muihin fragmentteihin myös kaksoisnauhakatkoksilla.

Näiden molekyylien ei kuitenkaan tarvitse välttämättä olla samanlaisia ​​osallistuakseen tähän yhdistelmäprosessiin. Toisin sanoen korjaamalla vauriot, solu voi liittyä toisiinsa liittymättömiin DNA: iin, jolloin syntyy todella uusi (rekombinantti) molekyyli.

Rekombinaation merkitys

Tärkeys syynä: DNA: n replikaatio ja korjaus

Rekombinaatio varmistaa DNA-tietojen uskottavuuden replikaatioprosessin aikana ja sen jälkeen. Rekombinaatio havaitsee DNA: n vaurion uuden nauhoitusprosessin aikana tässä erittäin pitkässä makromolekyylissä.

Koska jokaisella bändillä on oma ja täydentävä tieto, rekombinaatio takaa, ettei mikään menetetä. Kukin toimii todistajana toiselle. Samoin diploideissa organismeissa homologinen kromosomi todistaa siskonsa ja päinvastoin.

Toisaalta, kun DNA on replikoitu, tämän molekyylin vaurioiden korjausmekanismit vaihtelevat. Jotkut ovat välittömiä (vahinkoon reagoidaan suoraan) ja toiset epäsuorat.

Epäsuorat korjausmekanismit riippuvat rekombinaatiosta. Eli DNA-molekyylin vaurioiden korjaamiseksi käytetään toista homologista molekyyliä. Tämä toimisi korjaavassa rekombinaatiossa mallina, josta se on kärsinyt vahinkoa.

Tärkeys seurauksena: geneettisen vaihtelevuuden luominen

Rekombinaatio pystyy luomaan valtavan kromosomimuutoksen meioosin aikana. Somaattiset rekombinaatiot tuottavat myös vaihtelua, kuten selkärankaisten vasta-aineiden tapauksessa.

Monissa organismeissa meioosi on gameettinen. Seksuaalisesti lisääntyvissä organismeissa rekombinaatio osoittautuu yhdeksi tehokkaimmista tavoista tuottaa vaihtelua.

Toisin sanoen spontaaniin mutaatioon ja kromosomien segregaatioon rekombinaatio on lisättävä toisena elementtinä, joka tuottaa gameettista variaatioa.

Bakteriofagigenomien integraatio kohdespesifisellä rekombinaatiolla puolestaan ​​on myötävaikuttanut heidän isäntäbakteeriensa genomin uudelleenmuodostukseen.

Tämä on myötävaikuttanut tämän tärkeän elävien olentojen ryhmän genomimuutoksen ja evoluution syntymiseen.

Yhdistelmähoito ja terveys

Olemme jo nähneet, että DNA voidaan korjata, mutta se ei vahingoita sitä. Todellisuudessa melkein mikä tahansa voi vahingoittaa DNA: ta, alkaen virheellisestä replikaatiosta, joka jää korjaamattomaksi.

Mutta lisäksi DNA: ta voivat vahingoittaa UV-valo, ionisoiva säteily, solujen hengityksestä johtuvat vapaat happearadikaalit ja se, mitä syömme, tupakoimme, hengitämme, nautimme tai kosketamme.

Onneksi sinun ei tarvitse luopua asumisesta DNA: n suojelemiseksi. Tietyt asiat täytyy luopua, mutta suuren työn tekee solu itse. Näillä mekanismeilla DNA: n vaurioiden havaitsemiseksi ja korjaamiseksi on tietenkin geneettinen perusta ja niiden puutteella on valtavia seurauksia.

Homologisen rekombinaation puutteisiin liittyviä sairauksia ovat esimerkiksi Bloom- ja Werner-oireyhtymät, perinnöllinen rinta- ja munasarjasyöpä jne.

Viitteet

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014), Molecular Biology of Cell (6. painos). WW Norton & Company, New York, NY, Yhdysvallat.
2. Bell, JC, Kowalczykowski, SC (2016) DNA-rekombinaation mekaniikka ja yhden molekyylin kysely. Biokemian vuosikatsaus, 85: 193 - 226.
3. Prado, F. () Homologinen yhdistelmä: haarukkaan ja sen ulkopuolelle. Geenit, doi: 10,3390 / geenit9120603
4. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). Johdanto geneettiseen analyysiin (11. painos). New York: WH Freeman, New York, NY, Yhdysvallat.
5. Tock, AJ, Henderson, IR (2018) kuumia pisteitä meioottisen rekombinaation aloittamiseksi. Rajat genetiikassa, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) Prophages in Salmonella enterica: liikkeellepaneva voima heidän bakteeri-isännän genomin ja fysiologian muuttamisessa? Molekyylimikrobiologia, doi: 10,1111 / ml.14167.
7. Wright, WD, Shah, SS, Heyer, WD (2018) Homologinen rekombinaatio ja DNA: n kaksisäikeisten katkeamisten korjaus. Journal of Biological Chemistry, 293: 10524-10535