HOMOLOGĀ REKOMBINĀCIJA: FUNKCIJAS, MEHĀNISMS UN PIELIETOJUMI - BIOLOĢIJA - 2025

Homologu rekombinācijas ir process, kas ietver apmaiņu ar DNS molekulu starp līdzīgiem vai identiskiem sadaļās genomā. Šūnas galvenokārt izmanto homoloģisko rekombināciju, lai labotu ģenētiskā materiāla pārtraukumus, radot ģenētiskas variācijas populācijās.

Kopumā homoloģiskā rekombinācija ietver fizisku pārīšanu starp ģenētiskā materiāla homologiem apgabaliem, kam seko ķēžu pārrāvums, kuras notiks apmaiņā, un, visbeidzot, jauno kombinēto DNS molekulu apvienošana.

Rekombinācija starp divām homologām hromosomām.
Avots: Emw

Pārtraukumi DNS ir jālabo pēc iespējas ātrāk un efektīvāk. Ja bojājums nav novērsts, sekas var būt nopietnas un pat letālas. Baktērijās homologās rekombinācijas galvenā funkcija ir labot šos ģenētiskā materiāla pārtraukumus.

Homologā rekombinācija tiek uzskatīta par vienu no galvenajiem mehānismiem, kas ļauj nodrošināt genoma stabilitāti. Tas ir sastopams visās dzīves jomās un pat vīrusos, tāpēc, domājams, tas ir būtisks mehānisms, kas parādījās ļoti agrīnā dzīves evolūcijas posmā.

Vēsturiskā perspektīva

Viens no visatbilstošākajiem Gregora Mendela ierosinātajiem principiem ir neatkarība varoņu segmentācijā. Saskaņā ar šo likumu dažādi gēni tiek nodoti vecākiem no vecākiem neatkarīgi.

Tomēr 1900. gadā bija acīmredzami ļoti izteikti izņēmumi no šī principa. Angļu ģenētiķi Batesons un Punnets parādīja, ka vairākas reizes noteiktas pazīmes tiek mantotas kopā, un šīm iezīmēm Mendeļa pasludinātais princips nav spēkā.

Vēlākiem pētījumiem izdevās noskaidrot rekombinācijas procesa esamību, kurā šūnas bija spējīgas apmainīties ar ģenētisko materiālu. Gadījumos, kad gēni mantojās kopā, gēnu fiziskās tuvības dēļ DNS netika apmainīta.

Kas ir homoloģiska rekombinācija?

Homologā rekombinācija ir šūnu parādība, kas ietver fizisku DNS sekvenču apmaiņu starp divām hromosomām. Rekombinācija ietver gēnu kopumu, kas pazīstams kā rec gēns. Šie kods dažādiem fermentiem, kas piedalās procesā.

DNS molekulas tiek uzskatītas par "homologām", ja tām ir līdzīgas vai identiskas sekvences ar vairāk nekā 100 bāzes pāriem. DNS ir mazi reģioni, kas var atšķirties viens no otra, un šie varianti ir pazīstami kā alēles.

Dzīvajās lietās visu DNS uzskata par rekombinanto DNS. Ģenētiskā materiāla apmaiņa starp hromosomām notiek nepārtraukti, sajaucot un pārkārtojot gēnus hromosomās.

Šis process acīmredzami notiek meiozes gadījumā. Konkrēti fāzē, kurā hromosomas pārī veidojas pirmo šūnu dalījumā. Šajā posmā notiek ģenētiskā materiāla apmaiņa starp hromosomām.

Vēsturiski šis process literatūrā tiek apzīmēts ar anglosakšu vārdu šķērsošanu. Šis notikums ir viens no homologās rekombinācijas rezultātiem.

Krustošanās biežums starp diviem vienas hromosomas gēniem galvenokārt ir atkarīgs no attāluma, kas pastāv starp tiem. jo mazāks ir fiziskais attālums starp tiem, jo ​​zemāka ir apmaiņas biežums.

Homologās rekombinācijas funkcijas un sekas

Ģenētiskais materiāls tiek pastāvīgi pakļauts bojājumiem, ko izraisa endogēni un eksogēni avoti, piemēram, radiācija.

Tiek lēsts, ka cilvēka šūnās ir ievērojams skaits DNS bojājumu - no desmitiem līdz simtiem dienā. Šie bojājumi jālabo, lai izvairītos no iespējamām kaitīgām mutācijām, replikācijas un transkripcijas blokiem un bojājumiem hromosomu līmenī.

No medicīniskā viedokļa DNS bojājumi, kas nav pareizi izlaboti, izraisa audzēju un citu patoloģiju attīstību.

Homologā rekombinācija ir notikums, kas ļauj veikt DNS remontu, ļaujot atgūt zaudētās sekvences, izmantojot kā šablonu otru (homologo) DNS virkni.

Šis metabolisma process ir sastopams visās dzīves formās, nodrošinot augstas precizitātes mehānismu, kas ļauj labot DNS nepilnības, divpusējus pārtraukumus un DNS virzienu šķērssavienojumus.

Viena no būtiskākajām rekombinācijas sekām ir jaunu ģenētisko variāciju ģenerēšana. Līdztekus mutācijām, tie ir divi procesi, kas rada variācijas dzīvajās būtnēs - atcerieties, ka variācijas ir evolūcijas izejviela.

Turklāt tas nodrošina mehānismu bojātu replikācijas dakšu atiestatīšanai.

Baktērijās

Baktērijās bieži notiek horizontāli gēnu pārnešanas gadījumi. Tos klasificē kā konjugāciju, pārveidošanu un transdukciju. Šeit prokarioti ņem DNS no cita organisma un pat no dažādām sugām.

Šo procesu laikā notiek homologā rekombinācija starp recipienta šūnu un donora šūnu.

Mehānisms

Homologā rekombinācija sākas ar vienas no hromosomu DNS molekulas šķelšanos. Pēc tam notiek virkne darbību, kuras katalizē vairāki fermenti.

3 'galu, kurā notiek griezums, iebrūk ar homologo DNS divkāršo virkni. Iebrukuma process ir izšķirošs. Ar "homoloģisko ķēdi" mēs domājam hromosomu daļas, kurām ir vieni un tie paši gēni lineārā secībā, lai gan nukleotīdu sekvencēm nav jābūt identiskām.

Sinapses

Šī invāzija virknē novieto homologās hromosomas viena pret otru. Šo satikšanās pavedienu fenomenu sauc par sinapsēm (nejaukt ar sinapsēm neironos, šeit termins tiek lietots ar citu nozīmi).

Sinapse nebūt nenozīmē tiešu kontaktu starp abām homologām sekvencēm, DNS var kādu laiku turpināt kustēties, līdz atrod homologo daļu. Šo meklēšanas procesu sauc par homoloģisku izlīdzināšanu.

D-cilpas veidošanās

Pēc tam notiek notikums, ko sauc par “dzīslu iebrukumu”. Hromosoma ir DNS dubultā spirāle. Homologā rekombinācijā divas hromosomas meklē savas homologās sekvences. Vienā no spirālēm šķipsnas atdalās, un šī virkne "iebrūk" dubultās spirāles struktūrā, veidojot struktūru, ko sauc par D cilpu.

D cilpas virkne ir pārvietota, iebrūkot šķeļošajai virknei, un pārī ar oriģinālās dubultās spirāles papildinošo virkni.

Holliday krustojuma veidošanās

Nākamais solis ir Holliday savienību izveidošana. Šeit apmainīto dzīslu galus sasien kopā. Šai savienībai ir spēja pārvietoties jebkurā virzienā. Savienojums var salūzt un veidoties vairākas reizes.

Pēdējais rekombinācijas process ir šo savienību izšķirtspēja, un ir divi veidi vai veidi, kā šūna to panāk. Viens no tiem ir savienības šķelšana vai process, ko sauc par izšķīšanu, kas raksturīgs eikariotiskajiem organismiem.

Pirmajā mehānismā, pārtraucot Holliday krustojumu, tiek atjaunotas divas ķēdes. Otrajā "likvidēšanas" gadījumā savienībā notiek sava veida sabrukums.

Iesaistīti olbaltumvielas

Izšķirošu olbaltumvielu rekombinācijas procesā eukariotu šūnās sauc par Rad51 un Escherichia coli - par RecA. Tas darbojas dažādās rekombinācijas fāzēs: pirms sinapses, tās laikā un pēc tās.

Rad51 olbaltumviela atvieglo fiziskā savienojuma veidošanos starp iebrūkošo DNS un atlaidinātu DNS. Šajā procesā tiek ģenerēta heterodupleksa DNS.

Rad51 un tā RecA līdzinieks katalizē homologās DNS meklēšanu un DNS šķiedru apmaiņu. Šiem proteīniem ir spēja sadarboties saistīties ar vienas joslas DNS.

Ir arī Rad51 paralogu gēni (kas radušies no gēnu dublēšanās gadījumiem organismā), kurus sauc par Rad55 un Rad57. Cilvēkiem ir identificēti pieci Rad51 paraloga gēni, kurus sauc par Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 un Xrcc3.

Ar rekombinācijas procesiem saistītas anomālijas

Tā kā rekombinācijai nepieciešama fiziska saistīšanās ar hromosomām, tas ir izšķirošs solis pareizā segregācijā mejozes laikā. Ja pareiza rekombinācija nenotiek, rezultāts var būt nopietna patoloģija.

Hromosomu nesadalīšana vai segregācijas kļūdas ir viens no biežākajiem abortu un hromosomu izcelsmes anomāliju cēloņiem, piemēram, 21. hromosomas trisomija, kas izraisa Dauna sindromu.

Lai gan rekombinācija parasti ir diezgan precīzs process, atkārtotie genoma reģioni un gēni, kuriem visā genomā ir vairākas kopijas, ir pakļauti nevienmērīgam krosoveram.

Šī krustošanās rada dažādas klīniski nozīmīgas pazīmes, ieskaitot tādas izplatītas slimības kā talasēmija un autisms.

Rekombinācijas pieteikumi

Molekulārie biologi ir izmantojuši zināšanas par homoloģiskās rekombinācijas mehānismu, lai izveidotu dažādas tehnoloģijas. Viens no tiem ļauj izveidot "nokautu" organismus.

Šie ģenētiski modificētie organismi ļauj noskaidrot interesējošā gēna funkcijas.

Viena no metodēm, ko izmanto nokautu veidošanai, ir specifiskā gēna ekspresijas nomākšana, oriģinālā gēna aizstāšana ar modificētu vai "bojātu" versiju. Gēnu apmaina pret mutāciju, izmantojot homoloģisku rekombināciju.

Citi rekombinācijas veidi

Bez homoloģiskas vai likumīgas rekombinācijas ir arī citi ģenētiskā materiāla apmaiņas veidi.

Ja DNS apmaiņas reģioni, kas apmainās ar materiālu, nav alēliski (homologās hromosomas), rezultāts ir gēnu dublēšanās vai samazināšana. Šis process ir pazīstams kā nehomoloģiska rekombinācija vai nevienlīdzīga rekombinācija.

Kopā ģenētisko materiālu var apmainīties arī starp māsu hromatīdiem tajā pašā hromosomā. Šis process notiek gan meiotiskajā, gan mitotiskajā dalījumā, un to sauc par nevienlīdzīgu apmaiņu.

Atsauces

1. Baker, TA, Watson, JD, & Bell, SP (2003). Gēna molekulārā bioloģija. Benjamin-Cummings izdevniecības uzņēmums.
2. Devlins, TM (2004). Bioķīmija: mācību grāmata ar klīnisko pielietojumu. Es apgriezos.
3. Jasin, M., & Rothstein, R. (2013). Virvju pārtraukumu labošana ar homoloģisku rekombināciju. Cold Spring Harbor perspektīvas bioloģijā, 5 (11), a012740.
4. Li, X., un Heyer, WD (2008). Homologā rekombinācija DNS atjaunošanā un DNS bojājumu tolerancē. Šūnu izpēte, 18 (1), 99–113.
5. Murray, PR, Rosenthal, KS un Pfaller, MA (2017). Medicīniskā mikrobioloģija. Elsevier veselības zinātnes.
6. Nussbaum, RL, McInnes, RR un Willard, HF (2015). Thompson & Thompson ģenētika medicīnā e-grāmata. Elsevier veselības zinātnes.
7. Virgili, RO, un Taboada, JMV (2006). Cilvēka genoms: jauni sasniegumi pētniecībā, diagnostikā un ārstēšanā. Izdevumi Universitat Barcelona.