HOMOLOG REKOMBINATION: FUNKTIONER, MEKANISME OG APPLIKATIONER - BIOLOGI - 2025

Den homologe rekombination er en proces, der involverer udveksling af DNA-molekyler mellem lignende eller identiske sektioner af genomet. Celler bruger homolog rekombination hovedsageligt til at reparere pauser i genetisk materiale, hvilket genererer genetisk variation i populationer.

Generelt involverer homolog rekombination den fysiske sammenkobling mellem homologe områder af det genetiske materiale, efterfulgt af brud på de kæder, der skal gennemgå udvekslingen, og til sidst foreningen af ​​de nye kombinerede DNA-molekyler.

Rekombination mellem to homologe kromosomer.

Kilde: Emw

DNA-afbrydelser skal repareres så hurtigt og effektivt som muligt. Når skaden ikke repareres, kan konsekvenserne være alvorlige og endda dødelige. Hos bakterier er hovedfunktionen ved homolog rekombination at reparere disse pauser i det genetiske materiale.

Homolog rekombination betragtes som en af ​​de vigtigste mekanismer, der tillader genomets stabilitet. Det er til stede i alle livsområder og endda i vira, så det er formodentlig en vital mekanisme, der optrådte meget tidligt i livets udvikling.

Historisk perspektiv

Et af de mest relevante principper foreslået af Gregor Mendel består af uafhængighed i adskillelsen af ​​karakterer. I henhold til denne lov overføres de forskellige gener uafhængigt af forælder til barn.

Imidlertid var eksistensen af ​​meget markante undtagelser fra dette princip i 1900 tydelig. De engelske genetikere Bateson og Punnett viste, at mange gange arve visse træk sammen, og for disse træk er princippet, som Mendel har anført, ikke gyldigt.

Efterfølgende forskning formåede at belyse eksistensen af ​​rekombinationsprocessen, hvor celler var i stand til at udveksle genetisk materiale. I tilfælde, hvor generne arvet sammen, blev DNA'et ikke udvekslet på grund af den fysiske nærhed mellem generne.

Hvad er homolog rekombination?

Homolog rekombination er et cellulært fænomen, der involverer fysisk udveksling af DNA-sekvenser mellem to kromosomer. Rekombination involverer et sæt gener, kendt som rec-gener. Disse koder for forskellige enzymer, der deltager i processen.

DNA-molekyler betragtes som "homologe", når de deler lignende eller identiske sekvenser på mere end 100 basepar. DNA har små regioner, der kan afvige fra hinanden, og disse varianter er kendt som alleler.

I levende ting betragtes alt DNA som rekombinant DNA. Udvekslingen af ​​genetisk materiale mellem kromosomer foregår kontinuerligt ved at blande og omarrangere generne på kromosomerne.

Denne proces forekommer åbenlyst i meiose. Specifikt i den fase, hvor kromosomer parrer sig sammen i den første celledeling. I dette trin sker udvekslingen af ​​genetisk materiale mellem kromosomer.

Historisk betegnes denne proces i litteraturen ved hjælp af det angelsaksiske ord, der krydser. Denne begivenhed er et af resultaterne af homolog rekombination.

Hyppigheden af ​​krydsning mellem to gener af det samme kromosom afhænger hovedsageligt af afstanden der findes mellem dem; jo mindre den fysiske afstand mellem dem er, jo lavere er frekvensen for udveksling.

Funktioner og konsekvenser af homolog rekombination

Genetisk materiale udsættes konstant for skader forårsaget af endogene og eksogene kilder, som f.eks. Stråling.

Humane celler vurderes at have et betydeligt antal DNA-læsioner i størrelsesordenen titusinder til hundreder pr. Dag. Disse læsioner skal repareres for at undgå potentielle skadelige mutationer, replikations- og transskriptionsblokke og skader på kromosomalt niveau.

Fra et medicinsk synspunkt resulterer DNA-skade, der ikke repareres korrekt, i udviklingen af ​​tumorer og andre patologier.

Homolog rekombination er en begivenhed, der tillader DNA-reparation, der tillader gendannelse af mistede sekvenser ved anvendelse af den anden (homologe) DNA-streng som en skabelon.

Denne metabolske proces er til stede i alle former for liv og tilvejebringer en høj-trosmekanisme, der tillader reparation af "huller" i DNA, dobbeltstrengede pauser og tværbindinger mellem DNA-strenge.

En af de mest relevante konsekvenser af rekombination er genereringen af ​​ny genetisk variation. Sammen med mutationer er de de to processer, der genererer variation i levende væsener - husk, at variation er råmaterialet til evolution.

Derudover tilvejebringer det en mekanisme til at nulstille replikationsgafler, der er blevet beskadiget.

I bakterier

Hos bakterier er der hyppige horisontale genoverførselsbegivenheder. Disse klassificeres som konjugering, transformation og transduktion. Her tager prokaryoter DNA fra en anden organisme og endda fra forskellige arter.

Under disse processer forekommer homolog rekombination mellem modtagercellen og donorcellen.

Mekanisme

Homolog rekombination begynder med brud i en af ​​strengene i det kromosomale DNA-molekyle. Efter dette forekommer en række trin, der er katalyseret af flere enzymer.

3'-enden, hvor udskæringen finder sted, invaderes af den homologe dobbeltstreng af DNA. Invasionen er afgørende. Med "homolog kæde" mener vi dele af kromosomerne, der har de samme gener i en lineær rækkefølge, skønt nukleotidsekvenserne ikke behøver at være identiske.

Synapse

Denne invasion af strengen placerer homologe kromosomer overfor hinanden. Dette fænomen med mødertråde kaldes synapse (ikke at forveksle med synapsen i neuroner, her bruges udtrykket med en anden betydning).

Synapsen indebærer ikke nødvendigvis en direkte kontakt mellem begge homologe sekvenser, DNA'et kan fortsætte med at bevæge sig et stykke tid, indtil det finder den homologe del. Denne søgeproces kaldes homolog tilpasning.

D-loop dannelse

Derefter forekommer en begivenhed kaldet "streng invasion". Et kromosom er en dobbelt helix af DNA. Ved homolog rekombination ser to kromosomer efter deres homologe sekvenser. I en af ​​helixerne adskiller strengene sig, og denne streng "invaderer" den dobbelte helixstruktur og danner strukturen kaldet D-løkken.

D-loop-strengen er blevet forskudt af invasionen af ​​brudstrengen og parret med den komplementære streng i den originale dobbelt helix.

Holliday-krydsdannelse

Det næste trin er dannelsen af ​​Holliday-fagforeningerne. Her er enderne af de udskiftede tråde bundet sammen. Denne union har evnen til at bevæge sig i enhver retning. Samlingen kan bryde og danne flere gange.

Den sidste rekombinationsproces er opløsningen af ​​disse fagforeninger, og der er to måder eller måder, hvorpå cellen opnår dette. En af dem er spaltning af foreningen eller ved en proces kaldet opløsning, typisk for eukaryote organismer.

I den første mekanisme regenererer brud af Holliday-krydset to kæder. I den anden begivenhed "opløsning" forekommer en slags sammenbrud i unionen.

Proteiner involveret

Et vigtigt protein i rekombinationsprocessen kaldes Rad51 i eukaryote celler og RecA i Escherichia coli. Det fungerer i de forskellige faser af rekombination: før, under og efter synapse.

Rad51-proteinet letter dannelsen af ​​den fysiske forbindelse mellem det invaderende DNA og det tempererede DNA. I denne proces genereres heteroduplex-DNA.

Rad51 og dets RecA-modstykke katalyserer søgningen efter homologt DNA og udvekslingen af ​​DNA-strenge. Disse proteiner har evnen til at samarbejde til enkeltbånd-DNA.

Der er også paraloge gener (stammer fra gentuplikationsbegivenheder i en afstamning af organismer) af Rad51, kaldet Rad55 og Rad57. Hos mennesker er der identificeret fem Rad51 paraloggener kaldet Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 og Xrcc3.

Anomalier forbundet med rekombinationsprocesser

Da rekombination kræver fysisk binding til kromosomer, er det et vigtigt trin i korrekt adskillelse under meiose. Hvis korrekt rekombination ikke forekommer, kan resultatet være større patologi.

Nondisjunktion af kromosomer eller fejl i segregering er en af ​​de hyppigste årsager til aborter og uregelmæssigheder af kromosomal oprindelse, såsom trisomi af kromosom 21, der forårsager Downs syndrom.

Selvom rekombination normalt er en ret præcis proces, er regioner i genomet, der gentages, og gener, der har flere kopier i genomet, tilbøjelige til ujævn overgang.

Denne opdræt producerer forskellige klinisk relevante træk, herunder almindelige sygdomme som thalassæmi og autisme.

Ansøgninger om rekombination

Molekylærbiologer har draget fordel af viden om mekanismen til homolog rekombination for at skabe forskellige teknologier. En af disse tillader oprettelse af "knockout" -organismer.

Disse genetisk modificerede organismer gør det muligt at belyse funktionen af ​​et gen af ​​interesse.

En af metoderne, der anvendes til oprettelse af knockouts, består af undertrykkelse af ekspressionen af ​​det specifikke gen ved at erstatte det originale gen med en modificeret eller "beskadiget" version. Genet udveksles med den muterede version ved hjælp af homolog rekombination.

Andre former for rekombination

Udover homolog eller legitim rekombination er der andre typer udveksling af genetisk materiale.

Når regionerne af DNA, der udveksler materiale er ikke-alleliske (homologe kromosomer), er resultatet duplikation eller reduktion af gener. Denne proces er kendt som ikke-homolog rekombination eller ulig rekombination.

Sammen kan genetisk materiale også udveksles mellem søsterchromatider på det samme kromosom. Denne proces forekommer i både den meiotiske og den mitotiske opdeling og kaldes ulige udveksling.

Referencer

1. Baker, TA, Watson, JD, & Bell, SP (2003). Molekylærbiologi af genet. Benjamin-Cummings forlagsvirksomhed.
2. Devlin, TM (2004). Biokemi: lærebog med kliniske anvendelser. Jeg vendte om.
3. Jasin, M., & Rothstein, R. (2013). Reparation af strengbrud ved homolog rekombination. Cold Spring Harbour-perspektiver i biologi, 5 (11), a012740.
4. Li, X., & Heyer, WD (2008). Homolog rekombination i DNA-reparation og DNA-skade tolerance. Celleforskning, 18 (1), 99-113.
5. Murray, PR, Rosenthal, KS, & Pfaller, MA (2017). Medicinsk mikrobiologi. Elsevier Sundhedsvidenskab.
6. Nussbaum, RL, McInnes, RR, & Willard, HF (2015). Thompson & Thompson genetik i medicin e-bog. Elsevier Sundhedsvidenskab.
7. Virgili, RO, & Taboada, JMV (2006). Menneskeligt genom: nye fremskridt inden for forskning, diagnose og behandling. Udgaver Universitat Barcelona.