ĢENĒTISKĀ REKOMBINĀCIJA: VEIDI UN MEHĀNISMI - BIOLOĢIJA - 2025

Ģenētiskā rekombinācijas ir process, kurā molekulas nukleīnskābes fragmentu apmainīt ģenerēt jaunu molekulu. Tas ir ļoti izplatīts DNS, bet RNS ir arī rekombinācijas substrāts. Pēc mutācijas rekombinācija ir vissvarīgākais ģenētiskās mainīguma radīšanas avots.

DNS piedalās dažādos bioķīmiskajos procesos. Replikācijas laikā tas kalpo kā veidne divu jaunu DNS molekulu ģenerēšanai. Transkripcijā tas ļauj ģenerēt RNS molekulas no īpašiem reģioniem, kurus kontrolē promotors.

DNS rekombinācijas vispārējie posmi. Jērgens Bode, izmantojot Wikimedia Commons

Bet papildus tam DNS spēj apmainīties arī ar fragmentiem. Izmantojot šo procesu, tas rada jaunas kombinācijas, kas nav ne divu iepriekšējo procesu, ne mēslošanas rezultāts.

Viss rekombinācijas process ietver procesā iesaistīto DNS molekulu sadalīšanu un pievienošanos. Šis mehānisms mainās atkarībā no rekombinācijas substrāta, fermentiem, kas piedalās procesā, un tā izpildes mehānisma.

Rekombinācija parasti ir atkarīga no komplementāru, līdzīgu (ja ne identiski) vai homologiem reģioniem starp rekombinējošajām molekulām. Gadījumā, ja molekulas rekombinējas procesos, uz kuriem neattiecas homoloģija, tiek teikts, ka rekombinācija nav homoloģiska.

Ja homoloģija ietver ļoti īsu reģionu, kas atrodas abās molekulās, tiek teikts, ka rekombinācija ir specifiska vietai.

Definīcija

Tas, ko mēs saucam par homoloģiju rekombinācijā, nebūt nenozīmē iesaistīto molekulu evolūcijas izcelsmi. Drīzāk mēs runājam par nukleotīdu secības līdzības pakāpi.

Nereparatīva rekombinācija, piemēram, meiozes procesa laikā notiek eikariotos. Neapšaubāmi, ka nevar būt lielākas homoloģijas kā starp hromosomu pāriem vienā šūnā.

Tāpēc tos sauc par homologām hromosomām. Tomēr ir gadījumi, kad šūnas DNS apmainās ar materiālu ar svešu DNS. Šīm DNS jābūt ļoti līdzīgām rekombīnām, taču, lai to panāktu, tām nav obligāti jābūt vienādam senčam (homoloģijai).

Chiasms un crossover

Piestiprināšanas un apmaiņas vieta starp divām DNS molekulām tiek saukta par hiasmu, un pats process tiek saukts par šķērssavienojumu. Krustojuma laikā tiek pārbaudīta joslu apmaiņa starp iesaistītajām DNS.

Tas rada kointegratu, kas ir divas DNS molekulas, kas fiziski apvienotas vienā. Kad kointegrētais materiāls "izšķīst", tiek ģenerētas divas molekulas, kuras parasti tiek mainītas (rekombinantās).

"Atrisināt" rekombinācijas kontekstā ir atdalīt kointegrētā komponenta DNS molekulas.

Ģenētiskās rekombinācijas veidi

-Specifiska rekombinācija vietnei

Vietnei specifiskā rekombinācijā divām DNS molekulām, kas parasti nav homoloģiskas, ir īsa secība, kas ir kopīga abām. Šī secība ir īpaša splicējošā enzīma mērķis.

Ferments, kas spēj atpazīt šo secību, nevis citu, sagriež to noteiktā vietā abās molekulās. Ar dažu citu faktoru palīdzību tas apmaina divu iesaistīto molekulu DNS joslas un veido kointegratu.

Escherichia coli

Tas ir pamats, lai veidotos kointegrācija starp baktērijas Escherichia coli un bakteriofāga lambda genomu. Bakteriofāgs ir vīruss, kas inficē baktērijas.

Šī kointegrata veidošanos veic enzīms, kas kodēts vīrusa genomā: lambda integrase. Tas atpazīst kopēju secību, ko sauc par attP vīrusa cirkulārajā genomā, un attB - baktērijas secībā.

Sagriežot abās molekulās abas sekvences, tas ģenerē brīvos segmentus, apmainās ar joslām un savieno abus genomus. Pēc tam tiek izveidots lielāks vai integrēts aplis.

Kointegrācijas laikā vīrusa genomu pasīvi pārnēsā baktēriju genoms, ar kura palīdzību tas replicējas. Šajā stāvoklī tiek teikts, ka vīruss atrodas provirusā stāvoklī un baktērija tam ir lizogēna.

Apgrieztais process, tas ir, kointegrata izšķirtspēja, var ilgt daudzas paaudzes vai pat nenotikt. Tomēr to darot fermentatīvi mediē vēl viens vīrusa genoma kodēts proteīns, ko sauc par ekscizāzi. Kad tas notiek, vīruss atdalās no kointegrētā, atkārtoti aktivizējas un izraisa šūnu lizēšanu.

-Homoloģiska rekombinācija

Ģeneralizēta rekombinācija

Homologā rekombinācija notiek starp DNS molekulām, kurām ir vismaz apmēram 40 pilnīgas vai gandrīz pilnīgas līdzības nukleotīdu. Lai veiktu rekombinācijas procesu, jāiesaista vismaz viena endonukleāze.

Endonukleāzes ir fermenti, kas veic iekšējus DNS griezumus. Daži to dara, lai noārdītu DNS. Citi, tāpat kā rekombinācijas gadījumā, to dara, lai DNS radītu iespiedumu.

Šis unikālais niks ļauj apstrādāt vienas joslas DNS ar brīvu galu. Šis brīvais gals, kas orientēts uz rekombināzi, ļauj vienai joslai iebrukt dubultā DNS, izslēdzot pastāvīgo joslu tai identisku.

Tas ir šķērsošanas punkts starp donora ("iebrucēja") DNS molekulu un citu receptoru.

Fermentu (rekombināzi), kas veic iebrukuma un joslu apmaiņas procesu Escherichia coli, sauc par RecA. Prokariotos ir arī citi homologi proteīni, piemēram, RadA archaea. Eikariotos ekvivalentais enzīms tiek saukts par RAD51.

Tiklīdz invazīvā josla izspiež iemītnieku, tā mijiedarbojas ar joslu, kas donora molekulā palikusi vienkārša. Abas vietas ir aizzīmogotas ar ligazes darbību.

Mums tagad ir hibrīda joslas DNS (dažādu izcelsmes donoru joslas un saņēmēju joslas), kurām ir donora DNS un saņēmēja DNS. Krustošanās punkti (chiasmata) pārvietojas abos virzienos vismaz par 200 bp.

Katrs krustošanās punkts veido to, kas pazīstams kā Holliday struktūra (krustveida DNS produkts rekombinācijas gadījumā).

Šī krustveida DNS ir jāatrisina ar citām endonukleāzēm. Šīs struktūras kimērisko vai hibrīdo DNS var izšķirt divējādi. Ja otrais endonukleotīdu griezums notiek tajā pašā joslā kā pirmais, rekombinācija nenotiek. Ja otrais griezums notiek otrā joslā, iegūtie produkti ir rekombinanti.

Rekombinantā DNS Holliday struktūrā. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Mao-4armjunction-schematic.png.

Rekombinācija V (D) J

Šis ir somatiskās rekombinācijas veids (nevis meiotisks), kas veicina imūnsistēmas antivielu milzīgo mainīgumu.

Šī rekombinācija notiek jo īpaši gēnu fragmentos, kas kodē polipeptīdu ķēdes, kas tos nosaka. To veic B šūnas un tajā ir iesaistīti dažādi ģenētiski reģioni.

Interesanti, ka ir tādi parazīti kā Trypanosoma brucei, kuri izmanto līdzīgu rekombinācijas mehānismu, lai radītu virsmas antigēna mainīgumu. Tādā veidā viņi var izvairīties no saimnieka reakcijas, ja saimniekam neizdodas radīt antivielu, kas spēj atpazīt "jauno" antigēnu.

Antivielu daudzveidība, ko rada rekombinācija. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Cambio_clase_recombinacion.PNG

-Nelomoloģiska rekombinācija

Visbeidzot, ir rekombinācijas procesi, kas nav atkarīgi no iesaistīto molekulu secības. Piemēram, eikariotos, ļoti svarīga ir nehomologu galu rekombinācija.

Tas notiek ar DNS fragmentiem, kas parāda dubultu joslu pārtraukumu DNS. Tos "salabo" šūna, pievienojot tos citiem fragmentiem, arī ar dubultu joslu pārtraukumiem.

Tomēr šīm molekulām nav obligāti jābūt līdzīgām, lai piedalītos šajā rekombinācijas procesā. Tas ir, labojot bojājumus, šūna var pievienoties nesaistītām DNS, tādējādi izveidojot patiešām jaunu (rekombinantu) molekulu.

Rekombinācijas nozīme

Svarīgums kā cēlonis: DNS replikācija un labošana

Rekombinācija nodrošina DNS informācijas precizitāti replikācijas procesa laikā un pēc tā. Rekombinācija atklāj DNS bojājumus jaunā joslas veidošanas procesa laikā šajā ārkārtīgi garajā makromolekuļā.

Tā kā katrai joslai ir sava un papildinošā informācija, rekombinācija garantē, ka neviena josla netiek zaudēta. Katrs darbojas kā liecinieks otram. Līdzīgi, diploīdos organismos, homoloģiskā hromosoma ir lieciniece brāļa un māsai, un otrādi.

No otras puses, tiklīdz DNS ir replicēts, šīs molekulas bojājumu novēršanas mehānismi ir dažādi. Dažas no tām ir tiešas (traumas tiek veiktas tieši), bet citas ir netiešas.

Netiešie remonta mehānismi ir atkarīgi no veiktās rekombinācijas. Tas ir, lai labotu bojājumus DNS molekulā, tiek izmantota cita homoloģiska molekula. Tas darbotos reparatīvā rekombinācijā kā paraugs, no kura tas ir cietis.

Svarīgums kā sekas: ģenētiskās mainīguma radīšana

Rekombinācija meiozes laikā var radīt milzīgas hromosomu mainības. Somatiskā rekombinācija rada arī mainīgumu, tāpat kā mugurkaulnieku antivielu gadījumā.

Daudzos organismos mejoze ir gametiska. Seksuāli reproducējošos organismos rekombinācija izrādās viens no spēcīgākajiem paņēmieniem mainīguma radīšanai.

Citiem vārdiem sakot, spontānai mutācijai un hromosomu segregācijai rekombinācija jāpievieno kā vēl viens elements, kas rada gametisko mainīgumu.

No otras puses, bakteriofāgu genomu integrācija ar vietnei specifisku rekombināciju ir veicinājusi viņu saimniekorganismu genoma pārveidi.

Tas ir veicinājis šīs svarīgās dzīvo būtņu grupas ģenētiskās mainības un evolūcijas veidošanos.

Rekombinācija un veselība

Mēs jau esam redzējuši, ka DNS var salabot, bet ne tas, kas to sabojā. Patiesībā gandrīz jebkas var sabojāt DNS, sākot ar kļūdainu replikāciju, kas paliek neizlabota.

Bet ārpus tā DNS var sabojāt UV gaisma, jonizējošais starojums, brīvie skābekļa radikāļi, ko rada šūnu elpošana, un tas, ko mēs ēdam, smēķējam, elpojam, norijam vai pieskaramies.

Par laimi, lai aizsargātu DNS, jums nav jāatsakās no dzīves. No dažām lietām ir jāatsakās, bet lielo darbu veic pati šūna. Šiem mehānismiem DNS bojājumu noteikšanai un atjaunošanai acīmredzami ir ģenētiskā bāze, un to trūkumam ir milzīgas sekas.

Slimības, kas saistītas ar homologās rekombinācijas defektiem, ir, piemēram, Blūma un Vernera sindromi, ģimenes krūts un olnīcu vēzis utt.

Atsauces

1. Alberts, B., Džonsons, AD, Lūiss, J., Morgans, D., Rafs, M., Roberts, K., Valters, P. (2014) Šūnas molekulārā bioloģija (6. izdevums). WW Norton & Company, Ņujorka, NY, ASV.
2. Bell, JC, Kowalczykowski, SC (2016) DNS rekombinācijas mehānika un vienas molekulas pratināšana. Gada pārskats par bioķīmiju, 85: 193-226.
3. Prado, F. () Homoloģiska rekombinācija: dakšai un ārpus tās. Gēni, doi: 10.3390 / genes9120603
4. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). Ievads ģenētiskajā analīzē (11. izdevums). Ņujorka: WH Freeman, Ņujorka, NY, ASV.
5. Tock, AJ, Henderson, IR (2018) karsto punktu meiotiskās rekombinācijas uzsākšana. Robežas ģenētikā, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) Prophages in Salmonella enterica: virzītājspēks viņu baktēriju saimnieka genoma un fizioloģijas pārveidošanā? Molekulārā mikrobioloģija, doi: 10.1111 / mmi.14167.
7. Wright, WD, Shah, SS, Heyer, WD (2018) Homoloģiska rekombinācija un DNS dubultās virknes pārtraukumu labošana. Journal of Biological Chemistry, 293: 10524-10535