Typy a mechanizmy genetickej rekombinácie

genetická rekombinácia je proces, ktorým molekuly nukleovej kyseliny vymieňajú fragmenty vytvárajúce novú molekulu. Je veľmi bežná v DNA, ale RNA je tiež substrátom pre rekombináciu. Rekombinácia je po mutácii najdôležitejším zdrojom tvorby genetickej variability.

DNA sa podieľa na rôznych biochemických procesoch. Počas replikácie slúži ako templát na generovanie dvoch nových molekúl DNA. V transkripcii umožňuje generovať molekuly RNA zo špecifických oblastí kontrolovaných promótorom.

Okrem toho je DNA tiež schopná výmeny fragmentov. Týmto procesom vznikajú nové kombinácie, ktoré nie sú výsledkom dvoch predchádzajúcich procesov, ani oplodnenia.

Akýkoľvek proces rekombinácie zahŕňa lámanie a viazanie molekúl DNA, ktoré sú súčasťou procesu. Tento mechanizmus sa líši v závislosti od toho, aký je rekombinantný substrát, enzýmy zapojené do procesu a mechanizmus jeho realizácie.

Rekombinácia všeobecne závisí od existencie komplementárnych oblastí, podobných (ak nie identických) alebo homológnych medzi rekombinantnými molekulami. V prípade, že rekombinujú molekuly v procesoch, ktoré nie sú riadené homológiou, rekombinacia nie je homológna..

Ak homológia zahŕňa veľmi krátku oblasť prítomnú v oboch molekulách, je povedané, že rekombinácia je miestne špecifická.

index

• 1 Definícia
  • 1.1 Chiasm a zosieťovanie
• 2 Druhy genetickej rekombinácie
  • 2.1-Lokálne špecifická rekombinácia
  • 2.2-Homológna rekombinácia
  • 2.3 - Nehomologická rekombinácia
• 3 Význam rekombinácie
  • 3.1 Význam ako príčina: replikácia a oprava DNA
  • 3.2 Dôležitosť ako dôsledok: tvorba genetickej variability
  • 3.3 Rekombinácia a zdravie
• 4 Odkazy

definícia

To, čo nazývame homológiou v rekombinácii, nemusí nevyhnutne súvisieť s evolučným pôvodom zúčastnených molekúl. Hovoríme viac o stupni podobnosti v nukleotidovej sekvencii.

Nereparatívna rekombinácia sa napríklad vyskytuje v eukaryotoch počas procesu meiózy. Nepochybne nemôže existovať väčšia homológia ako medzi pármi chromozómov v tej istej bunke.

Preto sa nazývajú homológne chromozómy. Existujú však prípady, v ktorých DNA bunky vymieňa materiál s cudzou DNA. Tieto DNA musia byť veľmi podobné rekombinácii, ale nemusia nevyhnutne zdieľať rovnaký predok (homológiu), aby sa dosiahli..

Chiasm a sieťovanie

Miesto spojenia a výmeny medzi dvoma molekulami DNA sa nazýva chiasm a proces ako taký, zosieťovanie. Počas kríženia sa overuje výmena pásiem medzi zúčastnenými DNA.

Toto vytvára kointegrát, čo sú dve molekuly DNA fyzicky zjednotené v jednej. Keď je kointegrát "vyriešený", sú generované dve molekuly, vo všeobecnosti zmenené (rekombinantné).

"Riešiť", v kontexte rekombinácie, je oddeliť zložky DNA molekúl kointegrátu.

Druhy genetickej rekombinácie

-Lokálne špecifická rekombinácia

V miestne špecifickej rekombinácii majú dve molekuly DNA, všeobecne nehomológne, krátku sekvenciu spoločnú pre obe. Táto sekvencia je cielená špecifickým enzýmom zostrihu.

Enzým, ktorý je schopný rozpoznať túto sekvenciu a nie inú, ju štiepi v určitom mieste v oboch molekulách. S pomocou niektorých ďalších faktorov vymieňa DNA pásy dvoch zúčastnených molekúl a tvorí kointegrát.

Escherichia coli a lambda

To je základom tvorby kointegrátu medzi genómom baktérie Escherichia coli a bakteriofága lambda. Bakteriofág je vírus, ktorý infikuje baktérie.

Tvorba tohto kointegrátu sa uskutočňuje enzýmom kódovaným v genóme vírusu: lambda integráza. Toto rozpoznáva spoločnú sekvenciu nazývanú attP v kruhovom genóme vírusu a Attby v baktérii.

Rezaním oboch sekvencií v obidvoch molekulách sa vytvárajú voľné segmenty, vymieňajú sa pásy a zjednocujú tieto dva genómy. Vytvorí sa väčší kruh alebo sa kointegruje.

V kointegrovanom genóme vírusu je pasívne prenášaný bakteriálnym genómom, s ktorým sa replikuje. V tomto stave sa hovorí, že vírus je v stave provírusu a že baktéria je pre ňu lysogénna.

Inverzný proces, to znamená, že kointegrované rozlíšenie môže trvať mnoho generácií - alebo dokonca nenastane. Ak sa však vykoná, je enzymaticky sprostredkovaný iným proteínom kódovaným vírusovým genómom nazývaným excisionasa. Keď k tomu dôjde, vírus sa oddelí od kointegrátu, reaktivuje sa a spôsobí lýzu buniek.

-Homológna rekombinácia

Generalizovaná rekombinácia

Homológna rekombinácia je overená medzi molekulami DNA, ktoré majú aspoň 40 nukleotidov s úplnou alebo takmer úplnou podobnosťou. Na uskutočnenie procesu rekombinácie sa musí zúčastniť aspoň jedna endonukleáza.

Endonukleázy sú enzýmy, ktoré vytvárajú vnútorné rezy v DNA. Niektorí to robia, aby pokračovali v degradácii DNA. Iní, ako v prípade rekombinácie, tak robia tak, že vytvárajú DNA v DNA.

Tento unikátny nick vám umožňuje spracovať jeden DNA pás s voľným koncom. Tento voľný koniec, vedený rekombinázou, umožňuje jedinému pásmu inváziu do dvojitej DNA vytesnením identického rezidentného pásma..

Toto je bod kríženia medzi molekulou donorovej DNA ("invader") a iným príjemcom.

Enzým (rekombináza), ktorý vykonáva proces invázie a výmeny pásov v Escherichia coli nazýva sa RecA. Existujú aj iné homológne proteíny v prokaryotoch, ako napríklad RadA v archaea. V eukaryotoch sa ekvivalentný enzým nazýva RAD51.

Akonáhle invázny gang nahradí rezidenta, interaguje s pásom, ktorý zostal jednoduchý v donorovej molekule. Oba body sú utesnené pôsobením ligázy.

Teraz máme DNA z hybridných pásov (donorový pás a receptorový pás rôzneho pôvodu) lemovaný DNA darcu a DNA príjemcu. Prechodové body (chiasmas) sa pohybujú v oboch smeroch najmenej 200 bp.

Každý bod zosieťovania tvorí to, čo je známe ako Hollidayova štruktúra (krížová DNA vyplývajúca z rekombinačnej udalosti).

Táto krížová DNA musí byť rozdelená inými endonukleázami. Hybridnú alebo chimérickú DNA tejto štruktúry je možné vyriešiť dvoma spôsobmi. Ak druhý endonukleotidový rez nastane v rovnakom pásme, v ktorom sa prvý z nich vyskytol, rekombinácia nie je generovaná. Ak druhý rez nastane v inom pásme, výsledné produkty sú rekombinantné.

Rekombinácia V (D) J

Ide o typ somatickej rekombinácie (nie meiotickej), ktorá prispieva k vzniku enormnej variability protilátok imunitného systému..

Táto rekombinácia sa overuje najmä v fragmentoch génov, ktoré kódujú polypeptidové reťazce, ktoré ich definujú. Vykonáva sa B bunkami a zahŕňa rôzne genetické oblasti.

Zaujímavé je, že sú tu paraziti Trypanosoma brucei ktoré využívajú podobný rekombinantný mechanizmus na vytvorenie variability povrchového antigénu. Týmto spôsobom sa môžu vyhnúť reakcii hostiteľa, ak nedokáže vytvoriť protilátku schopnú rozpoznať "nový" antigén..

-Nehomologická rekombinácia

Nakoniec existujú rekombinačné procesy, ktoré nezávisia od sekvenčnej podobnosti zúčastnených molekúl. V eukaryotoch je to veľmi dôležité, napríklad rekombinácia nehomológnych koncov.

To sa vyskytuje s DNA fragmentami, ktoré majú dvojpásové zlomy v DNA. Tie sú "opravené" bunkou, ktorá ich spája s inými fragmentmi, rovnako s roztrhnutím v dvojitom pásme.

Tieto molekuly však nemusia byť nutne podobné, aby sa zúčastnili na tomto procese rekombinácie. To znamená, že opravou poškodenia môže bunka viazať nepríbuzné DNA, čím vytvára skutočne novú (rekombinantnú) molekulu. 

Význam rekombinácie

Význam ako príčina: replikácia a oprava DNA

Rekombinácia zaručuje vernosť informácií o DNA počas procesu replikácie a po ňom. Rekombinácia detekuje poškodenie DNA počas procesu vytvárania nových pásov v tejto extrémne dlhej makromolekule.

Keďže každá skupina má svoje vlastné informácie a informácie o jej komplemente, rekombinácia zaručuje, že sa nikto nestratí. Každý z nich koná ako svedok pre druhého. Podobne, v diploidných organizmoch je homológny chromozóm svedkom svojho brata a naopak.

Na druhej strane, akonáhle bola DNA replikovaná, mechanizmy opravy poškodenia tejto molekuly sú rôzne. Niektoré sú priame (pôsobia priamo na zranenie) a iné sú nepriame.

Nepriame mechanizmy opravy závisia od rekombinácie, ktorá sa má vykonať. To znamená, že na opravu poškodenia jednej molekuly DNA sa použije iná homológna molekula. To by pôsobilo v reparatívnej rekombinácii ako forma, ktorá utrpela poškodenie.

Dôležitosť ako dôsledok: tvorba genetickej variability

Rekombinácia je schopná vytvoriť počas meiózy enormnú chromozomálnu variabilitu. Somatická rekombinácia tiež vytvára variabilitu, ako v prípade protilátok u stavovcov.

V mnohých organizmoch je meióza gamética. V organizmoch so sexuálnym rozmnožovaním sa rekombinácia javí ako jeden z najsilnejších spôsobov, ako vytvoriť variabilitu.

To znamená, že k spontánnej mutácii a segregácii chromozómov je potrebné pridať rekombináciu ako ďalší generátorový prvok gametickej variability..

Integrácia genómov bakteriofágov miestne špecifickou rekombináciou na druhej strane prispela k prestavbe genómu ich hostiteľských baktérií.

To prispelo k vytvoreniu genómovej variability a evolúcie tejto dôležitej skupiny živých bytostí.

Rekombinácia a zdravie

Už sme videli, že DNA môže byť opravená, ale nie to, čo ju poškodzuje. V skutočnosti, takmer všetko môže poškodiť DNA, počnúc chybnou replikáciou, ktorá nie je opravená.

Ale okrem toho môže byť DNA poškodená UV žiarením, ionizujúcim žiarením, voľnými kyslíkovými radikálmi, produktmi bunkového dýchania a tým, čo jeme, dym, dýchame, jedeme alebo sa dotýkame.

Našťastie sa nemusíte vzdať života, aby ste chránili DNA. Človek sa musí zrieknuť určitých vecí, ale veľkú prácu vykonáva samotná bunka. Tieto mechanizmy detekcie poškodenia DNA a jej opravy majú samozrejme genetický základ a jeho nedostatok, enormné následky.

Choroby súvisiace s defektmi v homológnej rekombinácii zahŕňajú napríklad Bloomove a Wernerove syndrómy, familiárnu rakovinu prsníka a vaječníkov atď..

referencie

1. Alberts, B., Johnson, A. D., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6. vydanie). W. W. Norton & Company, New York, NY, USA.
2. Bell, J.C., Kowalczykowski, S.C. (2016) Mechanika a dotazovanie jednej molekuly DNA rekombinácie. Annual Review of Biochemistry, 85: 193-226.
3. Prado, F. () Homológna rekombinácia: do vidlice a za. Gény, doi: 10.3390 / gene9120603
4. Griffiths, A. J. F., Wessler, R., Carroll, S.B., Doebley, J. (2015). An Introduction to Genetic Analysis (11. vydanie). New York: W. H. Freeman, New York, NY, USA.
5. Tock, A. J., Henderson, I.R. (2018) Hotspots pre začatie meiotickej rekombinácie. Hranice v genetike, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) A Prophages in Salmonella enterica: hnacia sila pri pretváraní genómu a fyziológie ich bakteriálneho hostiteľa? Molekulárna mikrobiológia, doi: 10.1111 / mmi.14167.
7. Wright, W. D., Shah, S., Heyer, W. D. (2018) Homológna rekombinácia a reparácia dvojvláknov DNA. Journal of Biological Chemistry, 293: 10524-10535