Vrste in mehanizmi genske rekombinacije



The genetska rekombinacija je postopek, s katerim molekule nukleinske kisline izmenjujejo fragmente, ki generirajo novo molekulo. Je zelo pogosta v DNA, vendar je RNA tudi substrat za rekombinacijo. Rekombinacija je po mutaciji najpomembnejši vir generacije genetske variabilnosti.

DNA sodeluje v različnih biokemičnih procesih. Med replikacijo služi kot šablona za generiranje dveh novih molekul DNA. V transkripciji omogoča generiranje molekul RNA iz specifičnih regij, ki jih nadzoruje promotor.

Toda poleg tega je tudi DNK sposobna izmenjevati fragmente. S tem procesom nastajajo nove kombinacije, ki niso rezultat predhodnih dveh procesov, niti oploditve.

Vsak postopek rekombinacije vključuje prekinitev in vezavo molekul DNA, ki sodelujejo v procesu. Ta mehanizem je odvisen od tega, kateri rekombinacijski substrat, encimi, ki sodelujejo v procesu, in mehanizem njegovega izvajanja..

Rekombinacija je na splošno odvisna od obstoja komplementarnih regij, podobnih (če ne identičnih) ali homolognih med rekombinantnimi molekulami. V primeru, da rekombinirajo molekule v procesih, ki jih ne vodi homologija, pravimo, da rekombinacija ni homologna.

Če homologija vključuje zelo kratko območje, prisotno v obeh molekulah, je rečeno, da je rekombinacija specifična za mesto.

Indeks

  • 1 Opredelitev
    • 1.1 Chiasm in navzkrižno povezovanje
  • 2 Vrste genske rekombinacije
    • 2.1 - Rekombinacija, specifična za mesto
    • 2.2-homologna rekombinacija
    • 2.3 - Nehomologna rekombinacija
  • 3 Pomen rekombinacije
    • 3.1 Pomen kot vzrok: replikacija in popravilo DNK
    • 3.2 Posledica tega: ustvarjanje genetske variabilnosti
    • 3.3 Rekombinacija in zdravje
  • 4 Reference

Opredelitev

Kar imenujemo homologija v rekombinaciji, ni nujno, da nakazuje na evolucijski izvor sodelujočih molekul. Govorimo o stopnji podobnosti v nukleotidnem zaporedju.

Ne-reparativna rekombinacija se na primer pojavi pri evkariontih med mejoznim procesom. Nedvomno ne more biti večje homologije kot med parom kromosomov v isti celici.

Zato se imenujejo homologni kromosomi. Vendar pa obstajajo primeri, ko DNK celice material zamenja s tujo DNA. Te DNK morajo biti zelo podobne rekombinaciji, vendar jim ni nujno, da imajo isti prednik (homologijo), da ga dosežejo..

Chiasm in navzkrižno povezovanje

Mesto združitve in izmenjave med dvema molekulama DNK se imenuje chiasm, proces pa kot tak, zamreženje. Med medsebojnim prestopanjem se preverja izmenjava pasov med sodelujočimi DNK.

To ustvarja kointegracijo, ki sta dve molekuli DNK, ki sta fizično združeni v eno. Ko je kointegracija "rešena", nastanejo dve molekuli, ki sta na splošno spremenjeni (rekombinantni).

"Rešiti" v kontekstu rekombinacije je, da ločimo komponente molekul DNA kointegrata.

Vrste genske rekombinacije

-Site-specifična rekombinacija

V mestu specifični rekombinaciji imata dve molekuli DNA, na splošno nehomologni, kratko zaporedje, ki je skupno za obe. Ta sekvenca je usmerjena s specifičnim encimom za spajanje.

Encim, ki je sposoben prepoznati to zaporedje in ne drugega, ga reže na določenem mestu v obeh molekulah. S pomočjo nekaterih drugih dejavnikov izmenjuje DNK pasove obeh sodelujočih molekul in tvori kointegracijo.

Escherichia coli in lambda

To je osnova za nastanek kointegracije med genomom bakterije Escherichia coli in lambda bakteriofaga. Bakteriofag je virus, ki okuži bakterije.

Nastajanje tega kointegrata poteka z encimom, kodiranim v genomu virusa: lambda integraza. To prepozna skupno klicano zaporedje attP v krožnem genomu virusa in attB v bakteriji.

Z rezanjem obeh sekvenc v obeh molekulah ustvari proste segmente, zamenja pasove in združi dva genoma. Oblikuje se večji krog ali kointegrira.

V kointegriranem se genom virusa pasivno prenaša bakterijski genom, s katerim se replicira. V tem stanju se pravi, da je virus v provirusu in da je bakterija lizogena za isto..

Inverzni proces, tj. Kointegrirana resolucija, lahko traja več generacij - ali celo ne. Vendar, če je to storjeno, je encimsko posredovano z drugim proteinom, ki ga kodira virus genoma, imenovan excisionasa. Ko se to zgodi, se virus loči od kointegracije, reaktivira in povzroči lizo celic.

-Homologna rekombinacija

Generalizirana rekombinacija

Homologna rekombinacija je preverjena med molekulami DNA, ki imajo vsaj 40 nukleotidov popolne ali skoraj popolne podobnosti. Za izvedbo postopka rekombinacije mora sodelovati vsaj ena endonukleaza.

Endonukleaze so encimi, ki ustvarjajo notranje rezanje v DNA. Nekateri to počnejo, da bi razgradili DNK. Drugi, tako kot v primeru rekombinacije, to počnejo tako, da ustvarijo zobje v DNK.

Ta edinstven nick omogoča obdelavo posameznega traku DNK s prostim koncem. Ta prosti konec, ki ga vodi rekombinaza, omogoča, da en pas zajame dvojno DNA, tako da premakne rezidenčni pas, ki je enak.

To je točka prečkanja, med donorsko molekulo DNA ("invader") in drugo prejemnico.

Encim (rekombinaza), ki izvaja proces invazije in izmenjave pasov v Escherichia coli imenuje se RecA. Obstajajo tudi drugi homologni proteini v prokariotih, kot je RadA v arhejah. Pri evkariontih se ekvivalentni encim imenuje RAD51.

Ko napadenska skupina razsuje prebivalca, je v interakciji s pasom, ki je ostala enostavna v molekuli darovalca. Obe točki sta zaprti z delovanjem ligaze.

Zdaj imamo DNK iz hibridnih pasov (donorski pas in receptorski trak različnega izvora), ki ga spremljajo DNK donorja in prejemna DNA. Prehodi (chiasmas) se gibljejo v obe smeri vsaj 200 bp.

Vsaka točka navzkrižnega povezovanja tvori tisto, kar je znano kot Holliday struktura (križna DNA, ki je posledica rekombinacijskega dogodka).

To križno obliko je treba razrešiti z drugimi endonukleazami. Hibridno ali himerno DNA te strukture je mogoče rešiti na dva načina. Če pride do drugega odseka endonukleotida v istem traku, v katerem se je pojavil prvi, rekombinacija ni ustvarjena. Če pride do drugega rezanja v drugem pasu, so dobljeni produkti rekombinantni.

Rekombinacija V (D) J

To je vrsta somatske rekombinacije (ne meiotične), ki prispeva k ustvarjanju ogromne variabilnosti protiteles imunskega sistema..

To rekombinacijo preverjamo zlasti v fragmentih genov, ki kodirajo polipeptidne verige, ki jih definirajo. Izvaja se s celicami B in vključuje različne genetske regije.

Zanimivo je, da so paraziti podobni Trypanosoma brucei ki uporabljajo podoben rekombinacijski mehanizem za ustvarjanje variabilnosti v površinskem antigenu. Na ta način lahko izognejo odzivu gostitelja, če ne ustvari protitelesa, ki je sposobno prepoznati "nov" antigen..

-Nehomologna rekombinacija

Končno, obstajajo rekombinacijski procesi, ki niso odvisni od podobnosti zaporedij sodelujočih molekul. Pri evkariontih je zelo pomembno, na primer, rekombinacija nehomolognih koncev.

To se zgodi z DNA fragmenti, ki imajo dvojno razpoke v DNA. Ti se "popravijo" s celicami, ki jih povezujejo z drugimi fragmenti, enako z dvojnimi razpokami.

Vendar pa te molekule niso nujno podobne, da bi lahko sodelovale v tem procesu rekombinacije. To pomeni, da s popravljanjem poškodbe celica lahko veže nepovezane DNK in ustvari resnično novo (rekombinantno) molekulo.. 

Pomen rekombinacije

Pomen kot vzrok: replikacija in popravilo DNK

Rekombinacija zagotavlja zanesljivost informacij o DNK med in po postopku replikacije. Rekombinacija zazna poškodbe DNA med procesom ustvarjanja novih pasov v tej izjemno dolgi makromolekuli.

Ker ima vsaka skupina svoj lasten podatek in njegovo dopolnilo, rekombinacija zagotavlja, da se noben ne izgubi. Vsak od njih deluje kot priča drugemu. Podobno je pri diploidnih organizmih homologni kromosom priča njegovemu bratu in obratno.

Po drugi strani, ko je DNA replicirana, so mehanizmi popravljanja poškodb te molekule različni. Nekateri so neposredni (neposredno delujejo na škodo), drugi pa so posredni.

Posredni mehanizmi popravil so odvisni od izvedene rekombinacije. To pomeni, da se za popravilo poškodbe v eni molekuli DNK uporabi druga homologna molekula. To bi delovalo v reparativni rekombinaciji kot plesni, ki je utrpela škodo.

Posledica tega je pomembnost: ustvarjanje genetske variabilnosti

Rekombinacija lahko povzroči ogromno kromosomsko variabilnost med mejozo. Somatska rekombinacija povzroča tudi variabilnost, kot v primeru protiteles pri vretenčarjih.

V mnogih organizmih je mejoza gamética. V organizmih s spolnim razmnoževanjem se rekombinacija izkaže za enega najmočnejših načinov za ustvarjanje variabilnosti.

To pomeni, da je za spontano mutacijo in segregacijo kromosomov potrebno dodati rekombinacijo kot drug generatorski element gametne variabilnosti..

Integracija genomov bakteriofagov z rekombinacijo, specifično za lokacijo, je po drugi strani prispevala k remodeliranju genoma njihovih gostiteljskih bakterij..

To je prispevalo k ustvarjanju genomske variabilnosti in evolucije te pomembne skupine živih bitij.

Rekombinacija in zdravje

Videli smo že, da je DNK mogoče popraviti, ne pa tudi, kaj jo poškoduje. Pravzaprav lahko skoraj vse poškoduje DNK, začenši s poškodovano replikacijo, ki ni popravljena.

Poleg tega lahko DNA poškoduje UV svetloba, ionizirajoče sevanje, prosti kisikovi radikali, produkt celičnega dihanja in kaj jemo, kadimo, dihamo, jedemo ali se dotikamo.

Na srečo vam ni treba odreči življenja, da bi zaščitili DNK. Nekateri se morajo odreči določenim stvarem, a veliko delo opravi sama celica. Ti mehanizmi odkrivanja poškodb DNK in njihovega popravila imajo očitno genetsko osnovo in pomanjkljivost, ogromne posledice..

Bolezni, povezane z okvarami pri homologni rekombinaciji, vključujejo na primer Bloomov in Wernerjev sindrom, družinski rak dojk in jajčnikov itd..

Reference

  1. Alberts, B., Johnson, A.D., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6. izdaja). W. W. Norton & Company, New York, NY, ZDA.
  2. Bell, J.C., Kowalczykowski, S.C. (2016) Mehanika in enomolekularna zaslišanja rekombinacije DNA. Letni pregled biokemije, 85: 193-226.
  3. Prado, F. () Homologna rekombinacija: do vilic in onstran. Geni, doi: 10.3390 / genes9120603
  4. Griffiths, A. J.F., Wessler, R., Carroll, S.B., Doebley, J. (2015). Uvod v genetsko analizo (11. izd.). New York: W. H. Freeman, New York, NY, ZDA.
  5. Tock, A.J., Henderson, I.R. (2018) Žariščne točke za začetek meiotične rekombinacije. Frontiers in Genetics, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
  6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) Profagi v Salmonella enterica: gonilna sila pri preoblikovanju genoma in fiziologije njihovega bakterijskega gostitelja? Molekularna mikrobiologija, doi: 10.1111 / mmi.14167.
  7. Wright, W.D., Shah, S., Heyer, W.D. (2018) Homologna rekombinacija in popravljanje dvojnih verig DNA. Journal of Biological Chemistry, 293: 10524-10535