Zdieľam:
Funkcie, mechanizmus a aplikácie homológnej rekombinácie
homológna rekombinácia je to proces, ktorý zahŕňa výmenu molekúl DNA medzi podobnými alebo identickými časťami genómu. Bunky používajú homológnu rekombináciu hlavne na opravu zlomov v genetickom materiáli, pričom generujú genetické variácie v populáciách.
Vo všeobecnosti homologická rekombinácia znamená fyzikálne párovanie medzi homológnymi zónami genetického materiálu, po ktorom nasleduje rozbitie reťazcov, ktoré sa budú podrobovať výmene, a nakoniec spojenie nových molekúl DNA v kombinácii.
Prestávky v DNA sa musia opraviť čo najrýchlejšie a najefektívnejšie. Keď sa škody neodstránia, následky môžu byť vážne a dokonca smrteľné. V baktériách je hlavnou funkciou homológnej rekombinácie opraviť tieto zlomy v genetickom materiáli.
Homológna rekombinácia sa považuje za jeden z hlavných mechanizmov, ktoré umožňujú stabilitu genómu. Je prítomný vo všetkých oblastiach života a dokonca aj vo vírusoch, takže je to pravdepodobne životne dôležitý mechanizmus, ktorý sa objavil veľmi skoro vo vývoji života..
index
- 1 Historická perspektíva
- 2 Čo je homológna rekombinácia?
- 3 Funkcie a dôsledky homologickej rekombinácie
- 3.1 U baktérií
- 4 Mechanizmus
- 4.1 Synapsy
- 4.2 Tréning slučky D
- 4.3 Vytvorenie Holliday zväzov
- 4.4
- 5 Abnormality spojené s rekombinantnými procesmi
- 6 Aplikácia rekombinácie
- 7 Iné typy rekombinácie
- 8 Referencie
Historická perspektíva
Jedným z najdôležitejších princípov navrhnutých Gregorom Mendelom je nezávislosť v segregácii postáv. Podľa tohto zákona, rôzne gény prechádzajú z rodičov na deti nezávisle.
V roku 1900 však bola evidentná existencia veľmi výrazných výnimiek z tohto princípu. Anglickí genetici Bateson a Punnett demonštrovali, že mnohokrát sú niektoré znaky zdedené spoločne a pre tieto funkcie nemá princíp, ktorý vyslovil Mendel, žiadnu platnosť.
Neskorším vyšetreniam sa podarilo objasniť existenciu procesu rekombinácie, kde bunky boli schopné výmeny genetického materiálu. V prípadoch, keď gény zdedené spoločne, DNA nebola vymenená kvôli fyzickej blízkosti medzi génmi.
Čo je homológna rekombinácia?
Homológna rekombinácia je bunkový jav, ktorý zahŕňa fyzickú výmenu DNA sekvencií medzi dvoma chromozómami. Rekombinácia zahŕňa súbor génov známych ako gény rec. Tieto kódy kódujú rôzne enzýmy zapojené do procesu.
Molekuly DNA sa považujú za "homológne", keď zdieľajú podobné alebo identické sekvencie s viac ako 100 pármi báz. DNA má malé oblasti, ktoré sa môžu navzájom líšiť a tieto varianty sú známe ako alely.
V živých bytostiach sa celá DNA považuje za rekombinantnú DNA. Výmena genetického materiálu medzi chromozómami prebieha kontinuálne, miešanie a preskupovanie génov v chromozómoch.
Tento proces prebieha zjavne v meióze. Konkrétne vo fáze, v ktorej sú chromozómy párované v prvom bunkovom delení. V tomto štádiu dochádza k výmene genetického materiálu medzi chromozómami.
Historicky je tento proces v literatúre označený anglosaským slovom prekročenie. Táto udalosť je jedným z výsledkov homológnej rekombinácie.
Frekvencia prekročenie medzi dvoma génmi toho istého chromozómu závisí hlavne na vzdialenosti medzi týmito dvomi; čím menšia je fyzická vzdialenosť medzi nimi, tým nižšia je frekvencia výmeny.
Funkcie a dôsledky homologickej rekombinácie
Genetický materiál je neustále vystavený poškodeniu, spôsobenému napríklad endogénnymi a exogénnymi zdrojmi, ako napríklad žiarením.
Odhaduje sa, že ľudské bunky predstavujú významný počet lézií v DNA, rádovo desiatky až stovky denne. Tieto lézie je potrebné opraviť, aby sa zabránilo možným škodlivým mutácie replikáciu blokov a transkripčný a chromozomálne úroveň poškodenia.
Z lekárskeho hľadiska vedie poškodenie DNA, ktoré nie je správne opravené, k vzniku nádorov a iných patológií.
Homológna rekombinácia je udalosť, ktorá umožňuje opravu DNA, čo umožňuje obnovu stratených sekvencií, pričom sa ako templát použije iné DNA vlákno (homológne)..
Tento metabolický proces je prítomný vo všetkých formách života, poskytuje mechanizmus vysokej vernosti, ktorý umožňuje opraviť "medzery" v DNA, dvojvláknové zlomy a krížové väzby medzi reťazcami DNA..
Jedným z najdôležitejších dôsledkov rekombinácie je generovanie novej genetickej variácie. Spolu s mutáciami sú to dva procesy, ktoré vytvárajú variácie v živých bytostiach - pamätajte, že variácia je surovinou pre evolúciu.
Okrem toho poskytuje mechanizmus na reštartovanie replikačných vidlíc, ktoré boli poškodené.
U baktérií
U baktérií sa vyskytujú časté prípady horizontálneho prenosu génov. Tie sú klasifikované ako konjugácia, transformácia a transdukcia. Tu prokaryotes berú DNA z iného organizmu a dokonca z rôznych druhov.
Počas týchto procesov dochádza k homológnej rekombinácii medzi bunkou príjemcu a bunkou darcu.
mechanizmus
Homológna rekombinácia začína prerušením jedného z vlákien molekuly chromozomálnej DNA. Potom nasleduje rad krokov katalyzovaných viacerými enzýmami.
3'-koniec, kde dôjde k rezu, je napadnutý dvojitým homológnym reťazcom DNA. Rozhodujúci je proces invázie. S "homológnym reťazcom" chceme odkazovať na časti chromozómov, ktoré majú rovnaké gény v lineárnom poradí, aj keď nukleotidové sekvencie nemusia byť identické.
synapsie
Táto invázia reťazca umiestni homológne chromozómy proti sebe. Tento jav sa nazýva pramene spĺňajú synapsie (nezamieňať s synapsií v neurónoch, tu termín je používaný s iným významom).
Synapse nemusí nevyhnutne znamenať priamy kontakt medzi oboma homológnymi sekvenciami, DNA môže pokračovať v pohybe po určitý čas, kým nenájde homológnu časť. Tento proces vyhľadávania sa nazýva homológne zarovnanie.
Vytvorenie D slučky
Potom nastane udalosť nazvaná "invázia vlákna". Chromozóm je dvojitá špirála DNA. Pri homológnej rekombinácii hľadajú dva chromozómy svoje homológne sekvencie. V jednej zo špirálov sa oddelia vlákna a toto vlákno „napadne“ štruktúru dvojitej špirály, čím sa vytvorí štruktúra nazývaná slučka D.
Reťazec D slučky bol nahradený inváziou reťazca, ktorý predstavuje prasknutie a páry s komplementárnym vláknom pôvodnej dvojitej špirály.
Vytvorenie Holliday zväzov
Ďalším krokom je vytvorenie križovatiek Holliday. Tu sú konce vymenených vlákien prepojené. Táto únia má schopnosť pohybovať sa akýmkoľvek smerom. Únia môže byť rozbitá a tvorená viackrát.
Posledným procesom rekombinácie je rozlíšenie týchto spojov a existujú dva spôsoby, ktorými bunka dosiahne. Jedným z nich je štiepenie spojenia alebo proces nazývaný rozpúšťanie, typický pre eukaryotické organizmy.
V prvom mechanizme, porušenie únie Holliday regeneruje dva reťazce. V inom prípade "rozpustenia" dochádza k určitému kolapsu v únii.
Zapojené proteíny
Kľúčový proteín procesu rekombinácie sa nazýva Rad51 v eukaryotických bunkách a RecA in Escherichia coli. Pracuje v rôznych fázach rekombinácie: pred, počas a po synapse.
Proteín Rad51 uľahčuje tvorbu fyzického spojenia medzi inváznou DNA a temperovanou DNA. V tomto procese sa vytvorí heteroduplexná DNA.
Rad51 a jeho homológ RecA katalyzujú vyhľadávanie homológnej DNA a výmenu DNA vlákien. Tieto proteíny majú schopnosť spojiť sa kooperatívne s jednovláknovou DNA.
Existujú tiež paralogické gény (pochádzajúce z udalostí duplikácie génov v línii organizmov) Rad51, nazývané Rad55 a Rad57. U ľudí bolo identifikovaných päť paralogových génov Rad51 nazývaných Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 a Xrcc3..
Abnormality spojené s rekombinantnými procesmi
Pretože rekombinácia vyžaduje fyzickú väzbu v chromozómoch, je to kľúčový krok v správnej segregácii počas meiózy. Ak sa nevyskytne adekvátna rekombinácia, výsledkom môže byť významná patológia.
Nespojenie chromozómov alebo chyby v segregácii je jednou z najčastejších príčin potratov a anomálií chromozomálneho pôvodu, ako je napríklad trizómia chromozómu 21, ktorá spôsobuje Downov syndróm.
Hoci rekombinácia je zvyčajne pomerne presný proces, oblasti genómu, ktoré sa opakujú, a gény, ktoré majú viacnásobné kópie pozdĺž genómu, sú prvky náchylné na nerovné križovanie.
Toto kríženie vytvára rôzne klinické znaky, vrátane častých ochorení, ako je talasémia a autizmus..
Aplikácia rekombinácie
Molekulárni biológovia využili poznatky o mechanizme homológnej rekombinácie na vytvorenie rôznych technológií. Jeden z nich umožňuje vytvorenie organizmov "knokaut".
Tieto geneticky modifikované organizmy umožňujú objasniť funkciu požadovaného génu.
Jedna z metodík vytvorenia vykrojenie pozostáva z potlačenia expresie špecifického génu nahrádzajúceho pôvodný gén modifikovanou alebo "poškodenou" verziou. Gén sa vymenil za mutovanú verziu prostredníctvom homológnej rekombinácie.
Iné typy rekombinácie
Okrem homológnej alebo legitímnej rekombinácie existujú aj iné typy výmeny genetického materiálu.
Keď oblasti DNA, ktoré vymieňajú materiál, nie sú alelické (homológnych chromozómov), výsledkom je duplikácia alebo redukcia génov. Tento proces je známy ako nehomologická rekombinácia alebo nerovnomerná rekombinácia.
Genetický materiál môže byť tiež vymenený medzi sesterskými chromatidmi rovnakého chromozómu. Tento proces sa vyskytuje v meiotickom aj mitotickom delení a nazýva sa nerovnaká výmena.
referencie
- Baker, T. A., Watson, J. D., & Bell, S. P. (2003). Molekulárna biológia génu. Vydavateľstvo Benjamin-Cummings.
- Devlin, T. M. (2004). Biochémia: učebnica s klinickými aplikáciami. Obrátil som sa.
- Jasin, M., & Rothstein, R. (2013). Oprava zlomov prameňov homológnou rekombináciou. Cold Spring Harbor perspektívy v biológii, 5(11), a012740.
- Li, X., & Heyer, W. D. (2008). Homológna rekombinácia v opravách DNA a tolerancii poškodenia DNA. Bunkový výskum, 18(1), 99-113.
- Murray, P. R., Rosenthal, K.S., & Pfaller, M.A. (2017). Lekárska mikrobiológia. Elsevier Health Sciences.
- Nussbaum, R. L., McInnes, R. R., & Willard, H. F. (2015). Thompson & Thompson genetika v medicíne e-knihy. Elsevier Health Sciences.
- Virgili, R. O., & Taboada, J. M. V. (2006). Ľudský genóm: nové pokroky vo výskume, diagnostike a liečbe. Edicions Universitat Barcelona.