ХОМОЛОЖНА РЕКОМБИНАЦИЯ: ФУНКЦИИ, МЕХАНИЗЪМ И ПРИЛОЖЕНИЯ - БИОЛОГИЯ - 2024

На хомоложна рекомбинация е процес, който включва обмен на ДНК молекули между подобни или идентични части от генома. Клетките използват хомоложна рекомбинация главно за поправяне на пробивите в генетичния материал, генерирайки генетична вариация в популациите.

Като цяло хомоложната рекомбинация включва физическото сдвояване между хомоложните области на генетичния материал, последвано от скъсване на веригите, които ще преминат подмяната, и накрая обединението на новите комбинирани молекули на ДНК.

Рекомбинация между две хомоложни хромозоми.

Източник: Emw

Нарушенията в ДНК трябва да бъдат поправени възможно най-бързо и ефективно. Когато щетите не се поправят, последствията могат да бъдат сериозни и дори смъртоносни. При бактериите основната функция на хомоложната рекомбинация е да поправи тези разкъсвания в генетичния материал.

Хомоложната рекомбинация се счита за един от основните механизми, които позволяват стабилността на генома. Той присъства във всички области на живота и дори във вирусите, така че вероятно е жизненоважен механизъм, появил се много рано в еволюцията на живота.

Историческа перспектива

Един от най-уместните принципи, предложени от Грегор Мендел, се състои в независимостта в сегрегацията на героите. Според този закон различните гени се предават независимо от родителя на детето.

Въпреки това през 1900 г. съществуват много забележими изключения от този принцип. Английските генетици Бейтсън и Пунет показаха, че много пъти определени черти се наследяват заедно и за тези черти принципът, изказан от Мендел, няма валидност.

Следващите изследвания успяват да изяснят съществуването на процеса на рекомбинация, при който клетките са способни да обменят генетичен материал. В случаите, когато гените наследяват заедно, ДНК не се обменя поради физическата близост между гените.

Какво е хомоложна рекомбинация?

Хомоложна рекомбинация е клетъчно явление, което включва физическия обмен на ДНК последователности между две хромозоми. Рекомбинацията включва набор от гени, известни като rec гени. Тези кодове за различни ензими, които участват в процеса.

ДНК молекулите се считат за "хомоложни", когато споделят подобни или идентични последователности от повече от 100 базови двойки. ДНК има малки участъци, които могат да се различават един от друг и тези варианти са известни като алели.

При живите същества цялата ДНК се счита за рекомбинантна ДНК. Обменът на генетичен материал между хромозомите се извършва непрекъснато, смесване и пренареждане на гените на хромозомите.

Този процес протича очевидно при мейоза. По-специално във фазата, в която хромозомите се сдвояват в първото клетъчно деление. На този етап настъпва обменът на генетичен материал между хромозомите.

В исторически план този процес е обозначен в литературата с помощта на англосаксонската дума, пресичаща над. Това събитие е един от резултатите от хомоложна рекомбинация.

Честотата на кръстосване между два гена на една и съща хромозома зависи главно от разстоянието, което съществува между тях; колкото по-малко е физическото разстояние между тях, толкова по-ниска е честотата на обмен.

Функции и последици от хомоложна рекомбинация

Генетичният материал е постоянно изложен на щети, причинени от ендогенни и екзогенни източници, като радиация, например.

Счита се, че човешките клетки имат значителен брой ДНК лезии, от порядъка на десетки до стотици на ден. Тези лезии трябва да бъдат поправени, за да се избегнат потенциални вредни мутации, репликация и блокиране на транскрипция и увреждане на хромозомно ниво.

От медицинска гледна точка увреждането на ДНК, което не се поправи правилно, води до развитието на тумори и други патологии.

Хомоложна рекомбинация е събитие, което позволява поправяне на ДНК, позволява възстановяване на загубени последователности, като се използва другият (хомоложен) низ от ДНК като шаблон.

Този метаболитен процес присъства във всички форми на живот, като осигурява механизъм с висока точност, който позволява да се поправят "пропуски" в ДНК, двуверижни скъсвания и кръстосани връзки между нишките на ДНК.

Едно от най-важните последствия от рекомбинацията е генерирането на нови генетични вариации. Наред с мутациите, те са двата процеса, които пораждат вариации в живите същества - не забравяйте, че вариацията е суровината за еволюцията.

В допълнение, той осигурява механизъм за нулиране на вилиците за репликация, които са били повредени.

В бактериите

При бактериите има чести събития на хоризонтален трансфер на гени. Те са класифицирани като конюгиране, трансформация и преобразуване. Тук прокариотите вземат ДНК от друг организъм и дори от различни видове.

По време на тези процеси се получава хомоложна рекомбинация между реципиентната клетка и донорната клетка.

механизъм

Хомоложната рекомбинация започва с разрушаването в една от нишките на хромозомната ДНК молекула. След това настъпват серия от стъпки, катализирани от множество ензими.

3 'краят, където се извършва разрязването, се нахлува от хомоложната двойна верига ДНК. Процесът на инвазия е от решаващо значение. Под „хомоложна верига“ имаме предвид частите на хромозомите, които имат същите гени в линеен ред, въпреки че нуклеотидните последователности не трябва да са идентични.

Synapse

Тази инвазия в нишката поставя хомоложни хромозоми един срещу друг. Това явление на среща нишки се нарича синапс (да не се бърка със синапса в невроните, тук терминът се използва с друго значение).

Синапсът не означава непременно директен контакт между двете хомоложни последователности, ДНК може да продължи да се движи известно време, докато намери хомоложната част. Този процес на търсене се нарича хомологично подравняване.

Формиране на D-контур

Тогава се случва събитие, наречено „нахлуване на нишката“. Хромозомата е двойна спирала на ДНК. При хомоложна рекомбинация две хромозоми търсят своите хомоложни последователности. В един от спиралите нишките се разделят и тази нишка "нахлува" в двойната спирална структура, образувайки структурата, наречена D-линия.

Д-контурната нишка е изместена от инвазията на чупещата нишка и се сдвоява с допълващата нишка на първоначалната двойна спирала.

Формиране на празничен възел

Следващата стъпка е формирането на Холидейските съюзи. Тук краищата на разменените нишки са вързани заедно. Този съюз има възможност да се движи във всяка посока. Ставата може да се счупи и да се образува многократно.

Последният процес на рекомбинация е разрешаването на тези обединения и има два начина или начина, по които клетката постига това. Едно от тях е разцепването на съединението или чрез процес, наречен разтваряне, типичен за еукариотните организми.

В първия механизъм прекъсването на кръстовището на Холидей регенерира две вериги. При другото събитие „разпускане“, в съюза възниква един вид срив.

Протеини, които участват

Решаващ протеин в процеса на рекомбинация се нарича Rad51 в еукариотните клетки и RecA в Escherichia coli. Той работи в различните фази на рекомбинация: преди, по време и след синапс.

Протеинът Rad51 улеснява формирането на физическата връзка между нахлуващата ДНК и темперираната ДНК. В този процес се генерира хетеродуплексна ДНК.

Rad51 и неговият RecA колега катализират търсенето на хомоложна ДНК и обмяната на ДНК вериги. Тези протеини имат способността да се свързват съвместно с еднолентова ДНК.

Съществуват и паралогични гени (произхождащи от събития на дублиране на гени в рода на организмите) на Rad51, наречени Rad55 и Rad57. При хора са идентифицирани пет гена Rad51 паралог, наречени Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 и Xrcc3.

Аномалии, свързани с рекомбинационни процеси

Тъй като рекомбинацията изисква физическо свързване на хромозомите, тя е решаваща стъпка в правилната сегрегация по време на мейозата. Ако не се извърши правилна рекомбинация, резултатът може да бъде основна патология.

Недисфункцията на хромозомите или грешките в сегрегацията е една от най-честите причини за аборти и аномалии с хромозомен произход, като тризомия на хромозома 21, която причинява синдром на Даун.

Въпреки че рекомбинацията обикновено е доста прецизен процес, регионите на генома, които се повтарят, и гените, които имат множество копия в целия геном, са предразположени към неравномерно кръстосване.

Това кръстосване дава различни клинично значими черти, включително често срещани заболявания като таласемия и аутизъм.

Рекомбинационни приложения

Молекулярните биолози са се възползвали от познанията за механизма на хомоложна рекомбинация за създаване на различни технологии. Едно от тях позволява създаването на „нокаут“ организми.

Тези генетично модифицирани организми позволяват да се изясни функцията на ген, който представлява интерес.

Една от методологиите, използвани за създаването на нокаути, се състои в потискането на експресията на специфичния ген чрез замяна на оригиналния ген с модифицирана или "повредена" версия. Генът се обменя за мутиралата версия с помощта на хомоложна рекомбинация.

Други видове рекомбинация

Освен хомоложна или законна рекомбинация, има и други видове обмен на генетичен материал.

Когато регионите на ДНК, които обменят материал, са неалелни (хомоложни хромозоми), резултатът е дублиране или редукция на гени. Този процес е известен като нехомоложна рекомбинация или неравномерна рекомбинация.

Заедно генетичният материал може да се обменя и между сестрински хроматиди на една и съща хромозома. Този процес протича както в мейотичното, така и в митотичното разделение и се нарича неравномерен обмен.

Препратки

1. Baker, TA, Watson, JD, & Bell, SP (2003). Молекулярна биология на гена. Издателска компания Benjamin-Cummings.
2. Devlin, TM (2004). Биохимия: учебник с клинични приложения. Обърнах се.
3. Jasin, M., & Rothstein, R. (2013). Поправяне на разкъсвания на нишки чрез хомоложна рекомбинация. Перспективи на студеното пролетно пристанище в биологията, 5 (11), a012740.
4. Li, X., и Heyer, WD (2008). Хомоложна рекомбинация при възстановяване на ДНК и поносимост на ДНК увреждане. Клетъчно изследване, 18 (1), 99-113.
5. Мъри, PR, Rosenthal, KS, & Pfaller, MA (2017). Медицинска микробиология. Elsevier Health Sciences.
6. Nussbaum, RL, McInnes, RR, & Willard, HF (2015). Електронна книга за генетиката на Thompson & Thompson в медицината. Elsevier Health Sciences.
7. Virgili, RO, & Taboada, JMV (2006). Човешки геном: нов напредък в изследванията, диагностиката и лечението. Издания Universitat Barcelona.