Homologne rekombinacijske funkcije, mehanizem in aplikacije



The homologna rekombinacija gre za postopek, ki vključuje izmenjavo molekul DNA med podobnimi ali enakimi deli genoma. Celice uporabljajo homologno rekombinacijo predvsem za popravilo prelomov genskega materiala, kar generira genetske razlike v populacijah.

Na splošno homologna rekombinacija pomeni fizično združevanje med homolognimi conami genskega materiala, ki mu sledi prekinitev verig, ki se bodo izmenjale, in končno združitev novih molekul DNA skupaj.

Prelomi v DNK je treba popraviti čim hitreje in učinkoviteje. Ko se škoda ne popravi, so lahko posledice resne in celo smrtne. Pri bakterijah je glavna funkcija homologne rekombinacije popraviti te prelome v genskem materialu.

Homologna rekombinacija velja za enega glavnih mehanizmov, ki omogočajo stabilnost genoma. Prisotna je na vseh področjih življenja in celo v virusih, tako da je verjetno pomemben mehanizem, ki se je pojavil zelo zgodaj v razvoju življenja..

Indeks

  • 1 Zgodovinska perspektiva
  • 2 Kaj je homologna rekombinacija?
  • 3 Funkcije in posledice homologne rekombinacije
    • 3.1 V bakterijah
  • 4 Mehanizem
    • 4.1 Sinapse
    • 4.2 Usposabljanje zanke D
    • 4.3 Oblikovanje svetih sindikatov
    • 4.4 Vpletene beljakovine
  • 5 Nenormalnosti, povezane s procesi rekombinacije
  • 6 Uporaba rekombinacije
  • 7 Druge vrste rekombinacije
  • 8 Reference

Zgodovinska perspektiva

Eden najpomembnejših načel, ki jih je predlagal Gregor Mendel, je neodvisnost pri ločevanju znakov. Po tem zakonu različni geni prehajajo iz staršev v otroke samostojno.

Vendar pa je bilo leta 1900 očitno obstoj zelo izrazitih izjem od tega načela. Angleški genetiki Bateson in Punnett so dokazali, da so nekateri liki podedovani skupaj, pri čemer načelo, ki ga je objavil Mendel, nima veljavnosti..

Kasnejše raziskave so uspele pojasniti obstoj procesa rekombinacije, kjer so celice lahko izmenjale genski material. V primerih, ko so geni, podedovani skupaj, DNK ni bila zamenjana zaradi fizične bližine med genoma.

Kaj je homologna rekombinacija?

Homologna rekombinacija je celični pojav, ki vključuje fizično izmenjavo zaporedij DNA med dvema kromosomoma. Rekombinacija vključuje niz genov, znanih kot geni rec. Te kode za različne encime, ki so vključeni v postopek.

DNA molekule veljajo za "homologne", kadar imajo podobne ali enake sekvence z več kot 100 baznimi pari. DNA ima majhne regije, ki se lahko razlikujejo med seboj, in te različice so znane kot aleli.

V živih bitijih se vsa DNA šteje za rekombinantno DNA. Izmenjava genskega materiala med kromosomi poteka neprekinjeno, mešanje in preureditev genov v kromosomih.

Ta proces se očitno dogaja v mejozi. Posebej v fazi, kjer se kromosomi združijo v prvi delitvi celic. Na tej stopnji pride do izmenjave genskega materiala med kromosomi.

Zgodovinsko gledano je ta proces v literaturi označen z anglosaksonsko besedo čez. Ta dogodek je eden od rezultatov homologne rekombinacije.

Pogostost. \ T čez med dvema genoma istega kromosoma je odvisno predvsem od razdalje med obema; manjša kot je fizična razdalja med njimi, manjša je pogostost izmenjave.

Funkcije in posledice homologne rekombinacije

Genetski material je nenehno izpostavljen poškodbam, ki jih povzročajo na primer endogeni in eksogeni viri, kot je sevanje.

Ocenjuje se, da človeške celice predstavljajo veliko število lezij v DNK, in sicer deset do sto na dan. Te lezije je treba popraviti, da bi se izognili morebitnim škodljivim mutacijam, blokadam pri replikaciji in transkripciji ter poškodbam na kromosomski ravni..

Z medicinskega vidika poškodbe DNK, ki niso pravilno popravljene, povzročajo nastanek tumorjev in drugih bolezni.

Homologna rekombinacija je dogodek, ki omogoča popravilo v DNA, kar omogoča obnovitev izgubljenih sekvenc, pri čemer se kot predlogo uporabi druga veriga DNA (homologna)..

Ta presnovni proces je prisoten v vseh oblikah življenja in zagotavlja mehanizem visoke zvestobe, ki omogoča popravilo "vrzeli" v DNA, dvojnih prekinitvah in navzkrižnih povezavah med DNA verigami..

Ena od najpomembnejših posledic rekombinacije je ustvarjanje novih genetskih variacij. Skupaj z mutacijami sta to dva procesa, ki ustvarjata spremembe v živih bitih - ne pozabite, da je variacija surovina za razvoj.

Poleg tega zagotavlja mehanizem za ponovni zagon poškodovanih vilic podvajanja.

V bakterijah

Pri bakterijah so pogosti primeri horizontalnega prenosa genov. Ti so razvrščeni kot konjugacija, transformacija in transdukcija. Pri tem prokariotci vzamejo DNA iz drugega organizma in celo iz različnih vrst.

Med temi procesi poteka homologna rekombinacija med prejemno celico in donorsko celico.

Mehanizem

Homologna rekombinacija se prične s prekinitvijo v enem izmed delov kromosomske molekule DNA. Po tem se pojavi vrsta korakov, ki jih katalizira več encimov.

3'-konec, kjer pride do rezanja, je napaden z dvojno homologno DNA verigo. Proces invazije je ključnega pomena. S "homologno verigo" se želimo sklicevati na dele kromosomov, ki imajo enake gene v linearnem zaporedju, čeprav nukleotidne sekvence ni treba identično.

Sinapse

Ta invazija na verigo postavi homologne kromosome drug proti drugemu. Ta pojav srečanja s prameni se imenuje sinapsa (ne sme se zamenjati s sinapsami v nevronih, pri čemer se izraz uporablja z drugim pomenom).

Sinapsa ne pomeni nujno neposrednega stika med obema homolognima sekvencama, DNA se lahko premika še nekaj časa, dokler ne najde homolognega dela. Ta postopek iskanja se imenuje homologna poravnava.

Oblikovanje zanke D

Nato se pojavi dogodek, imenovan "invazija na nit". Kromosom je dvojna vijačnica DNA. Pri homologni rekombinaciji dva kromosoma iščejo svoje homologne sekvence. V eni od vijačnic se veje ločijo in ta sklop "preplavi" strukturo dvojne vijačnice in oblikuje strukturo, imenovano zanka D.

Veriga D zanke je bila premaknjena z invazijo verige, ki predstavlja razpok in pari z dopolnilno verigo izvirne dvojne vijačnice..

Oblikovanje svetih sindikatov

Naslednji korak je oblikovanje križišč Holliday. Tu so konci izmenjanih niti povezani. Ta unija ima sposobnost premikanja v katero koli smer. Zveza se lahko večkrat razbije in oblikuje.

Končni proces rekombinacije je ločljivost teh stičišč in obstajata dva načina ali načini, na katere ga celica doseže. Ena od njih je cepitev sindroma ali proces, imenovan raztapljanje, značilno za evkariontske organizme.

V prvem mehanizmu je prekinitev zveze Hollidayja obnovila dve verigi. V drugem primeru "razpada" pride do neke vrste propada v uniji.

Vpletene beljakovine

Ključni protein rekombinacijskega procesa se imenuje Rad51 v evkariontskih celicah in RecA v Escherichia coli. Deluje v različnih fazah rekombinacije: pred, med in po sinapsi.

Protein Rad51 olajša oblikovanje fizične povezave med invazivnim DNK in kaljeno DNK. V tem procesu nastane heterodupleksna DNA.

Rad51 in njegov homolog RecA katalizirata iskanje homologne DNA in izmenjavo DNA verig. Ti proteini imajo sposobnost, da se združijo v enojno pasovno DNA.

Obstajajo tudi paralogični geni (ki izvirajo iz dogodkov podvajanja genov v rodu organizmov) Rad51, imenovane Rad55 in Rad57. Pri ljudeh je bilo identificiranih pet Rad51 paralognih genov, imenovanih Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 in Xrcc3..

Nenormalnosti, povezane s procesi rekombinacije

Ker rekombinacija potrebuje fizično vezavo v kromosomih, je ključni korak pri pravilni segregaciji med mejozo. Če ne pride do ustrezne rekombinacije, je lahko rezultat pomembna patologija.

Ne-disjunkcija kromosomov ali napake v segregaciji je eden najpogostejših vzrokov splavov in anomalij kromosomskega izvora, kot je trisomija kromosoma 21, ki povzroča Down-ov sindrom..

Čeprav je rekombinacija ponavadi precej natančen proces, so področja genomov, ki se ponavljajo, in geni, ki imajo več kopij vzdolž genoma, elementi, ki so nagnjeni k neenak prehod.

To križanje povzroča različne klinične značilnosti, vključno s pogostimi boleznimi, kot so talasemija in avtizem..

Uporaba rekombinacije

Molekularni biologi so izkoristili znanje o mehanizmu homologne rekombinacije za ustvarjanje različnih tehnologij. Eden od teh omogoča ustvarjanje organizmov.knockout".

Ti gensko spremenjeni organizmi omogočajo razjasnitev funkcije zadevnega gena.

Ena od metodologij, uporabljenih pri ustvarjanju. \ T nokauti sestoji iz zatiranja ekspresije specifičnega gena, ki nadomešča prvotni gen z modificirano ali "poškodovano" različico. Gen se zamenja za mutirano različico s pomočjo homologne rekombinacije.

Druge vrste rekombinacije

Poleg homologne ali legitimne rekombinacije obstajajo tudi druge vrste izmenjave genskega materiala.

Kadar so področja DNA, ki izmenjujejo material, nealelna (homolognih kromosomov), je rezultat podvajanje ali zmanjšanje genov. Ta proces je znan kot nehomologna rekombinacija ali neenakomerna rekombinacija.

Genetski material se lahko izmenjuje tudi med sestrskimi kromatidi istega kromosoma. Ta proces se dogaja tako v meiotični kot mitotični delitvi in ​​se imenuje neenaka izmenjava.

Reference

  1. Baker, T.A., Watson, J.D., & Bell, S.P. (2003). Molekularna biologija gena. Založniška družba Benjamin-Cummings.
  2. Devlin, T. M. (2004). Biokemija: učbenik s kliničnimi aplikacijami. Obrnil sem se.
  3. Jasin, M., in Rothstein, R. (2013). Popravilo prekinitev verige s homologno rekombinacijo. Cold Spring Harbor perspektive v biologiji, 5(11), a012740.
  4. Li, X., in Heyer, W. D. (2008). Homologna rekombinacija pri popravljanju DNA in toleranca poškodb DNA. Raziskave celic, 18(1), 99-113.
  5. Murray, P.R., Rosenthal, K., & Pfaller, M.A. (2017). Medicinska mikrobiologija. Elsevier Health Sciences.
  6. Nussbaum, R. L., McInnes, R. R., in Willard, H. F. (2015). Thompson & Thompson genetika v medicini e-knjige. Elsevier Health Sciences.
  7. Virgili, R. O., & Taboada, J. M. V. (2006). Človeški genom: nov napredek na področju raziskav, diagnostike in zdravljenja. Edicions Universitat Barcelona.