ГЕНЕТИЧНА РЕКОМБИНАЦИЯ: ВИДОВЕ И МЕХАНИЗМИ - БИОЛОГИЯ - 2024

В генетична рекомбинация е процес, при който молекулите на фрагменти от нуклеинови киселини обменят генериране на нова молекула. Много често се среща в ДНК, но РНК също е субстрат за рекомбинация. След мутация рекомбинацията е най-важният източник за генериране на генетична променливост.

ДНК участва в различни биохимични процеси. По време на репликацията тя служи като шаблон за генериране на две нови молекули на ДНК. При транскрипция той дава възможност да се генерират молекули на РНК от специфични региони, контролирани от промотор.

Общите етапи на рекомбинация на ДНК. Юрген Боде, чрез Wikimedia Commons

Но в допълнение към това, ДНК е способна да обменя и фрагменти. Чрез този процес той генерира нови комбинации, които не са продукт на двата предишни процеса, нито на торене.

Целият процес на рекомбинация включва разрушаване и присъединяване на ДНК молекулите, които участват в процеса. Този механизъм варира в зависимост от рекомбинационния субстрат, ензимите, които участват в процеса и механизма на неговото изпълнение.

Рекомбинацията обикновено зависи от наличието на допълнителни, подобни (ако не са идентични) или хомоложни области между рекомбиниращите молекули. В случай, че молекулите се рекомбинират в процеси, които не се ръководят от хомологията, се казва, че рекомбинацията е нехомоложна.

Ако хомологията включва много къс участък в двете молекули, рекомбинацията се казва, че е специфична за мястото.

дефиниция

Това, което наричаме хомология в рекомбинацията, не се отнася непременно до еволюционния произход на участващите молекули. По-скоро говорим за степента на сходство в нуклеотидната последователност.

Нерепаративната рекомбинация, например, се появява при еукариоти по време на процеса на мейоза. Несъмнено не може да има по-голяма хомология, отколкото между двойки хромозоми в една и съща клетка.

Ето защо те се наричат ​​хомоложни хромозоми. Има обаче случаи, в които ДНК на клетка обменя материал с чужда ДНК. Тези ДНК трябва да са много сходни с рекомбинацията, но не е задължително да споделят един и същ прародител (хомология), за да постигнат това.

Хиазъм и кросоувър

Мястото на свързване и обмен между две молекули на ДНК се нарича хиазъм, а самият процес се нарича омрежване. По време на кросоувъра се проверява обмен на лента между участващите ДНК.

Това генерира коинтеграт, който представлява две молекули на ДНК, физически обединени в една. Когато коинтегратът "разтвори", се генерират две молекули, като цяло се променят (рекомбинантно).

"Решаването", в контекста на рекомбинацията, е да се отделят съставните ДНК молекули на коинтеграт.

Видове генетична рекомбинация

-Специфична рекомбинация

При специфична за сайта рекомбинация две ДНК молекули, които обикновено не са хомоложни, имат къса последователност, обща и за двете. Тази последователност е мишена на специфичен сплайсинг ензим.

Ензимът, способен да разпознае тази последователност, а не друга, я разрязва на определено място в двете молекули. С помощта на някои други фактори той замества ДНК лентите на двете участващи молекули и образува коинтеграт.

Ешерихия коли

Това е основата за образуването на коинтеграт между генома на бактерията Escherichia coli и този на бактериофага ламбда. Бактериофагът е вирус, който заразява бактериите.

Образуването на този коинтеграт се осъществява от ензим, кодиран в генома на вируса: ламбда интеграза. Той разпознава обща последователност, наречена attP в кръговия геном на вируса, и attB в тази на бактерията.

Разрязвайки двете последователности в двете молекули, той генерира свободни сегменти, разменя лентите и съединява двата генома. След това се оформя по-голям или съвместно интегриран кръг.

При съвместна интеграция вирусният геном се носи пасивно от бактериалния геном, с който се репликира. В това състояние се казва, че вирусът е в провирусно състояние и че бактерията е лизогенна за него.

Обратният процес, тоест разделителната способност на коинтеграцията, може да отнеме много поколения - или дори да не се случи. Това обаче е ензимно медиирано от друг протеин, кодиран от вирусния геном, наречен ексцизионаза. Когато това се случи, вирусът се отделя от коинтеграта, реактивира се и причинява клетъчен лизис.

-Хомоложна рекомбинация

Генерализирана рекомбинация

Хомоложна рекомбинация възниква между молекулите на ДНК, които споделят поне около 40 нуклеотида с пълно или почти пълно сходство. За да се проведе процесът на рекомбинация, трябва да се включи поне една ендонуклеаза.

Ендонуклеазите са ензими, които правят вътрешни съкращения в ДНК. Някои го правят, за да продължат да разграждат ДНК. Други, както в случая на рекомбинация, го правят, за да генерират вдлъбнатина в ДНК.

Този уникален ник позволява обработка на еднобандова ДНК със свободен край. Този свободен край, ориентиран от рекомбиназа, позволява на една лента да нахлуе в двойна ДНК, измествайки идентичната на нея резидентна лента.

Това е точката на пресичане между молекулата на ДНК ("нашественик") на ДНК и друг рецептор.

Ензимът (рекомбиназа), който осъществява процеса на инвазия и обмен на ленти в Escherichia coli, се нарича RecA. В прокариотите има и други хомоложни протеини, като RadA в археите. В еукариотите еквивалентният ензим се нарича RAD51.

След като инвазивната лента измести резидента, тя взаимодейства с лентата, останала проста в молекулата на донора. И двата сайта са запечатани от действието на лигаза.

Сега имаме хибридна ДНК лента (донорна лента и реципиентна лента от различен произход), обградена от донорската ДНК и реципиентната ДНК. Кръстосаните точки (chiasmata) се движат в двете посоки поне с 200 bp.

Всяка точка на кросоувър формира това, което е известно като Холидейска структура (кръстообразна ДНК продукт на рекомбинационно събитие).

Тази кръстообразна ДНК трябва да бъде разрешена от други ендонуклеази. Химерната или хибридна ДНК от тази структура може да бъде разтворена по два начина. Ако вторият ендонуклеотиден разрез се случи в същата лента като първата, не се извършва рекомбинация. Ако вторият разрез се случи в другата лента, получените продукти са рекомбинантни.

Рекомбинантна ДНК в структурата на Холидей. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Mao-4armjunction-schematic.png.

Рекомбинация V (D) J

Това е вид соматична рекомбинация (не мейотична), която допринася за генерирането на огромната променливост на антителата на имунната система.

Тази рекомбинация се извършва по-специално фрагменти от гените, които кодират полипептидните вериги, които ги определят. Той се осъществява от В клетки и включва различни генетични региони.

Интересното е, че има паразити като Trypanosoma brucei, които използват подобен рекомбинационен механизъм, за да създадат променливост в повърхностния антиген. По този начин те могат да избегнат отговора на гостоприемника, ако хостът не успее да генерира антитялото, способно да разпознае "новия" антиген.

Разнообразие от антитела, създадени чрез рекомбинация. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Cambio_clase_recombinacion.PNG

-Не хомоложна рекомбинация

И накрая, има рекомбинационни процеси, които не зависят от сходството в последователността на участващите молекули. При еукариотите, например, рекомбинацията на нехомологични краища е много важна.

Това се случва с фрагменти на ДНК, които показват двойни разкъсвания на лентата в ДНК. Те се "ремонтират" от клетката, присъединявайки ги към други фрагменти, също с двойни прекъсвания на лентата.

Тези молекули обаче не е задължително да са сходни, за да участват в този процес на рекомбинация. Тоест, поправяйки повредата, клетката може да се присъедини към несвързани ДНК, като по този начин създава наистина нова (рекомбинантна) молекула.

Значение на рекомбинацията

Значение като причина: репликация и възстановяване на ДНК

Рекомбинацията гарантира верността на ДНК информацията по време и след процеса на репликация. Рекомбинацията открива увреждане на ДНК по време на новия процес на превързване в тази изключително дълга макромолекула.

Тъй като всяка лента има своя собствена информация и тази на нейната допълваща, рекомбинацията гарантира, че никой не е загубен. Всеки действа като свидетел на другия. По подобен начин при диплоидните организми, хомоложна хромозома е свидетел на своето родство и обратно.

От друга страна, след като се репликира ДНК, механизмите за възстановяване на щетите на тази молекула са разнообразни. Някои са директни (нараняването се въздейства директно), а други са косвени.

Индиректните механизми за ремонт зависят от рекомбинацията, която трябва да се извърши. Тоест, за да се отстранят щетите в молекулата на ДНК, се използва друга хомоложна молекула. Това би действало в репаративната рекомбинация като шаблон, от който е претърпял щети.

Значение като следствие: генериране на генетична променливост

Рекомбинацията е в състояние да създаде огромна хромозомна вариабилност по време на мейоза. Соматичната рекомбинация също генерира променливост, както в случая с антитела при гръбначни животни.

При много организми мейозата е гаметична. При сексуално размножаващите се организми рекомбинацията се оказва един от най-мощните начини за генериране на променливост.

Тоест, за спонтанна мутация и хромозомна сегрегация, трябва да се добави рекомбинация като друг елемент, който генерира гаметична променливост.

Интегрирането на бактериофаговите геноми чрез специфична за сайта рекомбинация допринася за ремоделирането на генома на техните приемни бактерии.

Това допринесе за генерирането на геномна променливост и еволюцията на тази важна група живи същества.

Рекомбинация и здраве

Вече видяхме, че ДНК може да бъде поправен, но не и това, което го уврежда. В действителност почти всичко може да повреди ДНК, като се започне с дефектна репликация, която остава некоригирана.

Но освен това, ДНК може да бъде повредена от UV светлина, йонизиращо лъчение, свободни кислородни радикали, получени от клетъчното дишане, и това, което ядем, пушим, дишаме, поглъщаме или докосваме.

За щастие не е нужно да се отказвате от живот, за да защитите ДНК. Трябва да се откажат определени неща, но голямата работа се извършва от самата клетка. Тези механизми за откриване на увреждане на ДНК и нейното поправяне очевидно имат генетична основа, а дефицитът им - огромни последици.

Заболяванията, свързани с дефекти при хомоложна рекомбинация, включват например синдроми на Блум и Вернер, фамилен рак на гърдата и яйчниците и др.

Препратки

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6th Edition). WW Norton & Company, Ню Йорк, Ню Йорк, САЩ.
2. Bell, JC, Kowalczykowski, SC (2016) Механика и едномолекулен разпит на рекомбинация на ДНК. Годишен преглед на биохимията, 85: 193-226.
3. Prado, F. () Хомоложна рекомбинация: до вилица и отвъд. Гени, doi: 10.3390 / гени9120603
4. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). Въведение в генетичния анализ (11 изд.). Ню Йорк: WH Freeman, Ню Йорк, Ню Йорк, САЩ.
5. Tock, AJ, Henderson, IR (2018) Точки за започване на мейотична рекомбинация. Граници в генетиката, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) A Prophages in Salmonella enterica: движеща сила за прекрояване на генома и физиологията на техния бактериален гостоприемник? Молекулярна микробиология, doi: 10.1111 / mmi.14167.
7. Wright, WD, Shah, SS, Heyer, WD (2018) Хомоложна рекомбинация и поправка на ДНК двойни вериги. Journal of Biological Chemistry, 293: 10524-10535