HOMOLOGINEN REKOMBINAATIO: TOIMINNOT, MEKANISMI JA SOVELLUKSET - BIOLOGIA - 2026

Homologinen rekombinaatio on prosessi, johon vaihto DNA-molekyylien välillä samankaltaisia tai identtisiä osia genomin. Solut käyttävät homologista rekombinaatiota pääasiassa geneettisen materiaalin katkeamien korjaamiseksi, aiheuttaen geneettisen variaation populaatioissa.

Yleensä homologiseen rekombinaatioon liittyy fyysinen pariliitos geneettisen materiaalin homologisten alueiden välillä, mitä seuraa vaihtojen läpi käyvien ketjujen katkeaminen ja lopuksi uusien yhdistettyjen DNA-molekyylien liitos.

Rekombinaatio kahden homologisen kromosomin välillä.

Lähde: Emw

DNA: n tauot on korjattava mahdollisimman nopeasti ja tehokkaasti. Jos vahinkoa ei korjata, seuraukset voivat olla vakavia ja jopa tappavia. Bakteereissa homologisen rekombinaation päätehtävä on korjata nämä geneettisen materiaalin murtumat.

Homologista rekombinaatiota pidetään yhtenä päämekanismista, joka sallii genomin stabiilisuuden. Sitä on läsnä kaikilla elämän alueilla ja jopa viruksissa, joten se on oletettavasti tärkeä mekanismi, joka ilmestyi hyvin varhaisessa vaiheessa elämän kehitystä.

Historiallinen näkökulma

Yksi Gregor Mendelin ehdottamista tärkeimmistä periaatteista on itsenäisyys hahmojen erottelussa. Tämän lain mukaan eri geenit siirtyvät vanhemmilta lapsille itsenäisesti.

Vuonna 1900 oli kuitenkin ilmeistä, että tästä periaatteesta oli olemassa huomattavia poikkeuksia. Englantilaiset geneetikot Bateson ja Punnett osoittivat, että tietyt piirteet ovat monesti peritty yhdessä, ja Mendelin mainitsema periaate ei ole näiden ominaisuuksien kannalta pätevä.

Seuraavat tutkimukset onnistuivat selvittämään rekombinaatioprosessin olemassaolon, jossa solut kykenivät vaihtamaan geneettistä materiaalia. Tapauksissa, joissa geenit perivät yhdessä, DNA: ta ei vaihdettu geenien välisen fyysisen läheisyyden takia.

Mikä on homologinen rekombinaatio?

Homologinen rekombinaatio on soluilmiö, johon sisältyy fysikaalinen DNA-sekvenssien vaihto kahden kromosomin välillä. Rekombinaatio sisältää joukon geenejä, jotka tunnetaan rec-geeneinä. Nämä koodittavat prosessissa mukana olevia entsyymejä.

DNA-molekyylejä pidetään "homologisina", kun niillä on samanlaiset tai identtiset sekvenssit, joissa on yli 100 emäsparia. DNA: lla on pieniä alueita, jotka voivat poiketa toisistaan, ja nämä variantit tunnetaan alleeleina.

Elävissä asioissa kaikkea DNA: ta pidetään yhdistelmä-DNA: na. Geneettisen materiaalin vaihto kromosomien välillä tapahtuu jatkuvasti sekoittaen ja järjestämällä geenit kromosomeissa.

Tämä prosessi tapahtuu ilmeisesti meioosissa. Erityisesti siinä vaiheessa, jossa kromosomit parittuvat ensimmäiseen solunjakoon. Tässä vaiheessa tapahtuu geneettisen materiaalin vaihto kromosomien välillä.

Historiallisesti tämä prosessi on nimetty kirjallisuudessa käyttämällä anglosaksi-sanaa ylittäen. Tämä tapahtuma on yksi homologisen rekombinaation tuloksista.

Saman kromosomin kahden geenin välisen risteytyksen tiheys riippuu pääasiassa niiden välisestä etäisyydestä; mitä pienempi fyysinen etäisyys on niiden välillä, sitä pienempi on vaihtovaihe.

Homologisen rekombinaation toiminnot ja seuraukset

Geneettinen materiaali altistuu jatkuvasti endogeenisten ja eksogeenisten lähteiden, kuten esimerkiksi säteilyn, aiheuttamille vaurioille.

Ihmisen soluilla arvioidaan olevan merkittävä määrä DNA-leesioita, suuruusluokkaa kymmeniä satoja päivässä. Nämä vauriot on korjattava, jotta vältetään mahdolliset vahingolliset mutaatiot, replikaation ja transkription lohkot ja vauriot kromosomitasolla.

Lääketieteellisestä näkökulmasta DNA-vaurio, jota ei korjata oikein, johtaa kasvainten ja muiden patologioiden kehittymiseen.

Homologinen rekombinaatio on tapahtuma, joka mahdollistaa DNA: n korjaamisen, mahdollistaen menetettyjen sekvenssien palautumisen, käyttämällä DNA: n toista (homologista) juostetta templaattina.

Tämä aineenvaihduntaprosessi on läsnä kaikissa elämän muodoissa tarjoamalla korkea-uskollisuusmekanismi, joka mahdollistaa DNA: n aukkojen, kaksijuosteisten katkoksien ja DNA-juosteiden välisten ristisidosten korjaamisen.

Yksi rekombinaation merkittävimmistä seurauksista on uuden geneettisen variaation luominen. Mutaatioiden ohella ne ovat kaksi prosessia, jotka tuottavat vaihtelua elävissä olennoissa - muista, että variaatio on evoluution raaka-aine.

Lisäksi se tarjoaa mekanismin vioittuneiden replikaatiohaarukoiden nollaamiseksi.

Bakteereissa

Bakteereissa esiintyy usein horisontaalisia geeninsiirtotapahtumia. Nämä luokitellaan konjugaatioksi, transformaatioksi ja transduktioksi. Tässä prokaryootit ottavat DNA: ta toisesta organismista ja jopa eri lajeista.

Näiden prosessien aikana tapahtuu homologinen rekombinaatio vastaanottaja- ja luovutussolujen välillä.

Mekanismi

Homologinen rekombinaatio alkaa kromosomaalisen DNA-molekyylin yhden juosteen katkeamisella. Tämän jälkeen tapahtuu sarja vaiheita, joita useat entsyymit katalysoivat.

DNA: n homologinen kaksoisketju tunkeutuu 3'-päähän, jossa leikkaus tapahtuu. Hyökkäysprosessi on ratkaisevan tärkeä. "Homologisella ketjulla" tarkoitamme kromosomien osia, joilla on samat geenit lineaarisessa järjestyksessä, vaikka nukleotidisekvenssien ei tarvitse olla identtisiä.

Synapse

Tämä juosteen tunkeutuminen asettaa homologiset kromosomit vastakkain. Tätä kokouslankojen ilmiötä kutsutaan synapsiksi (ei pidä sekoittaa neuronien synapsiin, tässä termiä käytetään toisessa merkityksessä).

Synapsi ei välttämättä tarkoita suoraa kontaktia molempien homologisten sekvenssien välillä, DNA voi jatkaa liikkumistaan ​​jonkin aikaa, kunnes se löytää homologisen osan. Tätä hakuprosessia kutsutaan homologiseksi yhdenmukaistamiseksi.

D-silmukan muodostuminen

Sitten tapahtuu tapahtuma nimeltä "juosteen hyökkäys". Kromosomi on DNA: n kaksoiskierre. Homologisessa rekombinaatiossa kaksi kromosomia etsivät homologisia sekvenssejään. Yhdessä heliksiin juosteet erottuvat ja tämä juoste "tunkeutuu" kaksoiskierrerakenteeseen muodostaen D-silmukan nimisen rakenteen.

D-silmukka juoste on siirretty tunkeutumalla katkaisulanka ja parittuaan alkuperäisen kaksoiskierukan komplementaarisen juosteen kanssa.

Holliday-risteyksen muodostuminen

Seuraava askel on Holliday-ammattiliittojen perustaminen. Tässä vaihdettujen säikeiden päät on sidottu toisiinsa. Tällä liitolla on kyky siirtyä mihin tahansa suuntaan. Nivel voi rikkoutua ja muodostua useita kertoja.

Viimeinen rekombinaatioprosessi on näiden liittojen resoluutio, ja solulla on kaksi tapaa tai tapoja, joilla tämä saavutetaan. Yksi niistä on eukaryoottisille organismeille tyypillisen liitoksen pilkkominen tai liuottamiseksi kutsutulla prosessilla.

Ensimmäisessä mekanismissa Holliday-risteyksen rikkominen regeneroi kaksi ketjua. Toisessa "purkautumisessa" unionissa tapahtuu eräänlainen romahdus.

Proteiinit mukana

Kriittistä proteiinia rekombinaatioprosessissa kutsutaan Rad51: ksi eukaryoottisoluissa ja RecA: ksi Escherichia colissa. Se toimii rekombinaation eri vaiheissa: ennen synapsia, sen aikana ja sen jälkeen.

Rad51-proteiini helpottaa fyysisen yhteyden muodostumista tunkeutuvan DNA: n ja karkaisun DNA: n välille. Tässä prosessissa muodostetaan heterodupleksi-DNA.

Rad51 ja sen RecA-vastine katalysoivat homologisen DNA: n etsintää ja DNA-juosteiden vaihtoa. Näillä proteiineilla on kyky sitoutua yhteistyöhön yksikaistaiseen DNA: han.

Rad51: llä on myös rinnakkaisgeenejä (jotka ovat peräisin geenien päällekkäisyyksistä organismin linjassa), nimeltään Rad55 ja Rad57. Ihmisillä on tunnistettu viisi Rad51-paraloogigeeniä, nimeltään Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 ja Xrcc3.

Rekombinaatioprosesseihin liittyvät poikkeamat

Koska rekombinaatio vaatii fysikaalista sitoutumista kromosomeihin, se on tärkeä askel asianmukaisessa segregaatiossa meioosin aikana. Jos oikeaa rekombinaatiota ei tapahdu, seurauksena voi olla suuri patologia.

Kromosomien jakautumattomuus tai erotteluvirheet ovat yksi yleisimmistä syistä abortteihin ja kromosomaalista alkuperää oleviin poikkeavuuksiin, kuten kromosomin 21 trisomia, joka aiheuttaa Downin oireyhtymää.

Vaikka rekombinaatio on yleensä melko tarkka prosessi, toistuvat genomialueet ja geenit, joilla on useita kopioita koko genomissa, ovat alttiita epätasaiselle ristikkäiselle.

Tämä risteytys tuottaa erilaisia ​​kliinisesti merkityksellisiä piirteitä, mukaan lukien yleiset sairaudet, kuten talasemia ja autismi.

Yhdistelmäsovellukset

Molekyylibiologit ovat hyödyntäneet tietoa homologisen rekombinaation mekanismista erilaisten tekniikoiden luomiseksi. Yksi näistä sallii "poisto-organismien" muodostumisen.

Nämä geneettisesti muunnetut organismit mahdollistavat mielenkiinnon kohteena olevan geenin toiminnan selvittämisen.

Yksi poistojen luomiseen käytetyistä menetelmistä koostuu spesifisen geenin ekspression tukahduttamisesta korvaamalla alkuperäinen geeni modifioidulla tai "vaurioituneella" versiolla. Geeni vaihdetaan mutatoituneelle versiolle homologisen rekombinaation avulla.

Muut rekombinaatiotyypit

Homologisen tai laillisen rekombinaation lisäksi on olemassa myös muunlaisia ​​geneettisen materiaalin vaihtoa.

Kun DNA: n alueet, jotka vaihtavat materiaalia, eivät ole alleelisia (homologiset kromosomit), seurauksena on geenien päällekkäisyys tai pelkistys. Tämä prosessi tunnetaan ei-homologisena rekombinaationa tai epätasaisena rekombinaationa.

Yhdessä geenimateriaali voidaan vaihtaa myös samassa kromosomissa olevien sisarkromatidien välillä. Tämä prosessi tapahtuu sekä meioottisessa että mitoottisessa jakautumisessa, ja sitä kutsutaan epätasaiseksi vaihtoksi.

Viitteet

1. Baker, TA, Watson, JD, & Bell, SP (2003). Geenin molekyylibiologia. Benjamin-Cummings kustantaja.
2. Devlin, TM (2004). Biokemia: kliinisiin sovelluksiin liittyvä oppikirja. Käänsin.
3. Jasin, M., ja Rothstein, R. (2013). Juostemurtumien korjaus homologisella rekombinaatiolla. Cold Spring Harbor -perspektiivit biologiassa, 5 (11), a012740.
4. Li, X., ja Heyer, WD (2008). Homologinen rekombinaatio DNA: n korjaamisessa ja DNA-vaurioiden sietokyvyssä. Solututkimus, 18 (1), 99 - 113.
5. Murray, PR, Rosenthal, KS ja Pfaller, MA (2017). Lääketieteellinen mikrobiologia. Elsevier terveystieteet.
6. Nussbaum, RL, McInnes, RR ja Willard, HF (2015). Thompson & Thompson genetiikka lääketieteellisessä kirjassa. Elsevier terveystieteet.
7. Virgili, RO, ja Taboada, JMV (2006). Ihmisen genomi: Tutkimuksen, diagnoosin ja hoidon uudet edistykset. Painos Universitat Barcelona.