GENETISK REKOMBINATION: TYPER OG MEKANISMER - BIOLOGI - 2025

Den genetiske rekombination er den proces, hvor molekyler af nukleinsyrefragmenter udveksles, hvilket genererer et nyt molekyle. Det er meget almindeligt i DNA, men RNA er også et underlag til rekombination. Rekombination er efter mutation den vigtigste kilde til generering af genetisk variation.

DNA deltager i forskellige biokemiske processer. Under replikation fungerer det som en skabelon til generering af to nye DNA-molekyler. Ved transkription gør det det muligt at generere RNA-molekyler fra specifikke regioner kontrolleret af en promotor.

De generelle trin i DNA-rekombination. Juergen Bode, via Wikimedia Commons

Men ud over dette er DNA også i stand til at udveksle fragmenter. Gennem denne proces genererer den nye kombinationer, der ikke er produktet af de to foregående processer, heller ikke af befrugtning.

Al rekombinationsproces involverer nedbrydning og sammenføjning af de DNA-molekyler, der deltager i processen. Denne mekanisme varierer afhængigt af rekombinationssubstratet, de enzymer, der deltager i processen, og mekanismen for dens eksekvering.

Rekombination afhænger generelt af eksistensen af ​​komplementære, lignende (hvis ikke identiske) eller homologe regioner mellem de rekombinerende molekyler. I tilfælde af, at molekyler rekombineres i processer, der ikke styres af homologi, siges rekombinationen at være ikke-homolog.

Hvis homologien involverer en meget kort region, der er til stede i begge molekyler, siges rekombinationen at være stedspecifik.

Definition

Det, vi kalder homologi ved rekombination, henviser ikke nødvendigvis til de deltagende molekylers evolutionære oprindelse. I stedet snakker vi om graden af ​​lighed i nukleotidsekvensen.

Ikke-reparativ rekombination forekommer for eksempel i eukaryoter under meiose-processen. Der er utvivlsomt ingen større homologi end mellem par af kromosomer i den samme celle.

Derfor kaldes de homologe kromosomer. Der er imidlertid tilfælde, hvor en celle-DNA udveksler materiale med et fremmed DNA. Disse DNA'er skal være meget lig rekombine, men de behøver ikke nødvendigvis at dele den samme stamfar (homologi) for at opnå dette.

Chiasme og crossover

Stedet for tilknytning og udveksling mellem to DNA-molekyler kaldes en chiasme, og selve processen kaldes tværbinding. Under crossoveret verificeres en båndudveksling mellem de deltagende DNA'er.

Dette genererer et cointegrat, som er to DNA-molekyler, der er fysisk forenet til et. Når cointegratet "opløses", genereres to molekyler, der generelt ændres (rekombinant).

At "løse" i forbindelse med rekombination er at adskille komponentens DNA-molekyler i et cointegrat.

Typer af genetisk rekombination

-Site-specifik rekombination

Ved stedspecifik rekombination har to DNA-molekyler, generelt ikke homologe, en kort sekvens, der er fælles for begge. Denne sekvens er målet for et specifikt splejsende enzym.

Enzymet, der er i stand til at genkende denne sekvens og ikke en anden, skærer det på et bestemt sted i begge molekyler. Ved hjælp af nogle andre faktorer bytter den DNA-båndene til de to deltagende molekyler og danner et cointegrat.

Escherichia coli

Dette er grundlaget for dannelsen af ​​cointegratet mellem genomet til bakterien Escherichia coli og bakterien af ​​lambda. En bakteriofag er en virus, der inficerer bakterier.

Dannelsen af ​​dette cointegrat udføres af et enzym kodet i virusgenomet: lambda integrase. Det genkender en almindelig sekvens kaldet attP i virusets cirkulære genom og attB i bakteriens sekvens.

Ved at skære begge sekvenser i begge molekyler genererer det frie segmenter, bytter båndene og går sammen med de to genomer. Derefter dannes en større eller cointegreret cirkel.

Ved cointegration bæres virusgenomet passivt af det bakterielle genom, som det replikeres med. I denne tilstand siges det, at virussen er i provirus-tilstanden, og at bakterien er lysogen for den.

Den omvendte proces, det vil sige opløsningen af ​​cointegratet, kan tage mange generationer - eller endda ikke forekomme. Dette medieres imidlertid enzymatisk af et andet protein, der kodes af virusgenomet kaldet excisionase. Når dette sker, adskilles virussen fra cointegratet, reaktiveres igen og forårsager cellelysering.

-Homolog rekombination

Generaliseret rekombination

Homolog rekombination forekommer mellem DNA-molekyler, der deler mindst ca. 40 nukleotider med komplet eller næsten fuldstændig lighed. For at udføre rekombinationsprocessen skal mindst en endonuklease involveres.

Endonukleaser er enzymer, der foretager indre nedskæringer i DNA. Nogle gør det for at fortsætte med at nedbryde DNA. Andre, som i tilfælde af rekombination, gør det for at generere en bukke i DNA'et.

Dette unikke nick tillader behandling af et enkeltbånd-DNA med en fri ende. Denne frie ende, der er orienteret ved en rekombinase, tillader et enkelt bånd at invadere et dobbelt DNA, hvorved det residente bånd forskydes identisk med det.

Dette er overgangspunktet mellem en donor ("invaderende") DNA-molekyle og en anden receptor.

Enzymet (rekombinase), der udfører invasion- og båndudvekslingsprocessen i Escherichia coli kaldes RecA. Der er andre homologe proteiner i prokaryoter, såsom RadA i archaea. I eukaryoter kaldes det ækvivalente enzym RAD51.

Når det invasive bånd fortrænger beboeren, interagerer det med det bånd, der blev efterladt enkelt i donormolekylet. Begge steder forsegles ved virkningen af ​​en ligase.

Vi har nu hybridbånd-DNA (et donorbånd og et modtagerbånd fra forskellige oprindelser) flankeret af donor-DNA og modtager-DNA. Crossover-punkterne (chiasmata) bevæger sig i begge retninger med mindst 200 bp.

Hvert crossover-punkt danner det, der er kendt som Holliday-strukturen (korsformet DNA-produkt fra en rekombinationsbegivenhed).

Dette korsformede DNA skal opløses af andre endonukleaser. Chimært eller hybrid DNA i denne struktur kan opløses på to måder. Hvis det andet endonukleotidskæring forekommer i det samme bånd som det første, sker der ingen rekombination. Hvis den anden udskæring forekommer i det andet bånd, er de resulterende produkter rekombinante.

Rekombinant DNA i Holliday-strukturen. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Mao-4armjunction-schematic.png.

Rekombination V (D) J

Dette er en type somatisk rekombination (ikke meiotisk), der bidrager til genereringen af ​​den enorme variation i antistoffer i immunsystemet.

Denne rekombination finder sted især fragmenter af generne, der koder for polypeptidkæderne, der definerer dem. Det udføres af B-celler og involverer forskellige genetiske regioner.

Interessant nok er der parasitter som Trypanosoma brucei, der anvender en lignende rekombinationsmekanisme for at skabe variation i et overfladeantigen. På denne måde kan de undgå værtens reaktion, hvis værten ikke genererer antistoffet, der er i stand til at genkende det "nye" antigen.

Mangfoldighed af antistoffer oprettet ved rekombination. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Cambio_clase_recombinacion.PNG

-Ingen homolog rekombination

Endelig er der rekombinationsprocesser, der ikke afhænger af ligheden i sekvensen for de deltagende molekyler. I eukaryoter er for eksempel rekombinationen af ​​ikke-homologe ender meget vigtig.

Dette forekommer med DNA-fragmenter, der viser dobbeltbåndbrud i DNA'et. Disse "repareres" ved at cellen forbinder dem til andre fragmenter også med dobbeltbåndbrud.

Imidlertid behøver disse molekyler ikke nødvendigvis at være ens for at deltage i denne rekombinationsproces. Det vil sige, ved at reparere skaden, kan cellen gå sammen med ikke-relaterede DNA'er og således skabe et virkelig nyt (rekombinant) molekyle.

Betydningen af ​​rekombination

Betydningen som årsag: DNA-replikation og -reparation

Rekombination sikrer pålideligheden af ​​DNA-informationen under og efter replikationsprocessen. Rekombination registrerer DNA-skader under den nye bandingproces i dette ekstremt lange makromolekyle.

Da hvert band har sin egen information og dets komplementære, garanterer rekombination, at ingen går tabt. Hver fungerer som et vidne for den anden. Tilsvarende vidner i diploide organismer et homologt kromosom dets søskende, og omvendt.

På den anden side, når DNA'et er blevet replikeret, varieres skadesreparationsmekanismerne for dette molekyle. Nogle er direkte (skaden handles direkte), og andre er indirekte.

Indirekte reparationsmekanismer afhænger af rekombination, der skal finde sted. Det vil sige, til at reparere skaden i et DNA-molekyle, bruges et andet homologt molekyle. Dette ville fungere som reparativ rekombination som en skabelon, hvorfra den har lidt skade.

Betydningen som en konsekvens: genereringen af ​​genetisk variation

Rekombination er i stand til at skabe enorm kromosomvariabilitet under meiose. Somatisk rekombination genererer også variation, som i tilfælde af antistoffer i hvirveldyr.

I mange organismer er meiose gametisk. I seksuelt reproducerende organismer viser det sig at rekombination være en af ​​de mest kraftfulde måder at generere variation på.

Det vil sige, til spontan mutation og kromosomsegregation, skal rekombination tilføjes som et andet element, der genererer gametisk variabilitet.

Integrationen af ​​bakteriofaggener ved stedspecifik rekombination har på den anden side bidraget til ombygningen af ​​genomet af deres værtsbakterier.

Dette har bidraget til genereringen af ​​genomisk variation og udvikling af denne vigtige gruppe af levende væsener.

Rekombination og helbred

Vi har allerede set, at DNA kan repareres, men ikke hvad der skader det. I virkeligheden kan næsten alt skade DNA, der starter med en forkert replikation, der går ukorrekt.

Men ud over det kan DNA blive beskadiget af UV-lys, ioniserende stråling, frie iltradikaler produceret ved cellulær respiration, og hvad vi spiser, ryger, indånder, indtager eller berører.

Heldigvis behøver du ikke opgive levevis for at beskytte DNA. Visse ting skal opgives, men det store arbejde udføres af selve cellen. Disse mekanismer til at opdage skade på DNA og dets reparation har åbenlyst et genetisk grundlag, og deres mangel, enorme konsekvenser.

Sygdomme relateret til defekter ved homolog rekombination inkluderer for eksempel Bloom- og Werner-syndromer, familiær bryst- og æggestokkræft osv.

Referencer

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6. udgave). WW Norton & Company, New York, NY, USA.
2. Bell, JC, Kowalczykowski, SC (2016) Mekanik og enkeltmolekyleforhør af DNA-rekombination. Årlig gennemgang af biokemi, 85: 193-226.
3. Prado, F. () Homolog rekombination: Til gaffel og videre. Gener, doi: 10.3390 / gener9120603
4. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). En introduktion til genetisk analyse (11. udgave). New York: WH Freeman, New York, NY, USA.
5. Tock, AJ, Henderson, IR (2018) Hotspots for initiering af meiotisk rekombination. Frontiers in Genetics, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) A Prophages in Salmonella enterica: en drivende kraft til at omforme genomet og fysiologien i deres bakterievært? Molecular Microbiology, doi: 10.1111 / mmi.14167.
7. Wright, WD, Shah, SS, Heyer, WD (2018) Homolog rekombination og reparation af DNA-strengstrækbrud. Journal of Biologisk Kemi, 293: 10524-10535