Geneetilised rekombinatsiooni tüübid ja mehhanismid



The geneetiline rekombinatsioon on protsess, mille abil nukleiinhappemolekulid vahetavad uusi molekule genereerivaid fragmente. See on väga levinud DNA-s, kuid RNA on samuti rekombinatsiooni substraat. Rekombinatsioon on pärast mutatsiooni geneetilise varieeruvuse kõige olulisem allikas.

DNA osaleb erinevates biokeemilistes protsessides. Replikatsiooni ajal toimib see kahe uue DNA molekuli genereerimiseks. Transkriptsioonis võimaldab see genereerida RNA molekule spetsiifilistest piirkondadest, mida kontrollitakse promootoriga.

Kuid lisaks suudab DNA fragmente vahetada. Selle protsessi käigus tekib uusi kombinatsioone, mis ei ole kahe eelmise protsessi tulemus, ega väetamine.

Iga rekombinatsiooniprotsess hõlmab protsessis osalevate DNA molekulide purunemist ja seondumist. See mehhanism varieerub sõltuvalt sellest, milline on rekombinatsiooni substraat, protsessis osalevad ensüümid ja selle täitmise mehhanism.

Rekombinatsioon sõltub tavaliselt komplementaarsete piirkondade olemasolust, mis on sarnased (või mitte identsed) või homoloogsed rekombinantsete molekulide vahel. Juhul kui nad rekombineerivad molekule protsessides, mida ei juhi homoloogia, öeldakse, et rekombinatsioon ei ole homoloogne.

Kui homoloogia hõlmab mõlemas molekulis väga väikest piirkonda, siis öeldakse, et rekombinatsioon on spetsiifiline.

Indeks

  • 1 Määratlus
    • 1.1 Chiasm ja ristsidumine
  • 2 Geneetilise rekombinatsiooni tüübid
    • 2.1. Kohapealne rekombinatsioon
    • 2.2-homoloogne rekombinatsioon
    • 2.3 - Mittehomoloogiline rekombinatsioon
  • 3 Rekombinatsiooni tähtsus
    • 3.1 Tähtsus põhjusena: DNA replikatsioon ja parandamine
    • 3.2 Selle tähtsus: geneetilise varieeruvuse teke
    • 3.3 Rekombinatsioon ja tervis
  • 4 Viited

Määratlus

See, mida me nimetame homoloogiaks rekombinatsioonis, ei pruugi viidata osalevate molekulide evolutsioonilisele päritolule. Me räägime rohkem nukleotiidjärjestuse sarnasuse astmest.

Mitteosaratiivne rekombinatsioon toimub näiteks eukarüootides meioosi protsessi ajal. Kahtlemata ei saa olla suuremat homoloogiat kui samas rakus olevate kromosoomipaaride vahel.

Seetõttu nimetatakse neid homoloogseteks kromosoomideks. Siiski on juhtumeid, kus raku DNA vahetab materjali võõr-DNA-ga. Need DNAd peavad olema rekombinatsiooni jaoks väga sarnased, kuid ei pea tingimata olema sama esivanema (homoloogia) jagamine selle saavutamiseks.

Chiasm ja ristsidumine

Liitumise ja kahe DNA molekuli vahelise vahetuse koht nimetatakse chiasmiks ja protsess kui selline, ristsidumine. Ristimise ajal kontrollitakse osalevate DNA-de vaheliste ribade vahetamist.

See tekitab kointegratsiooni, mis on kaks DNA molekuli, mis on füüsiliselt ühendatud ühes. Kui kointegratsioon on "lahendatud", genereeritakse kaks molekuli, mida üldiselt muudetakse (rekombinantne).

"Lahenda" rekombinatsiooni kontekstis on eraldada kointegratsiooni DNA molekulid.

Geneetilise rekombinatsiooni tüübid

-Paigupõhine rekombinatsioon

Asukohaspetsiifilises rekombinatsioonis on kahel DNA-molekulil, mis üldiselt ei ole homoloogsed, lühike jada, mis on ühine mõlemale. See järjestus on suunatud konkreetse splaissimisensüümi poolt.

Ensüüm, mis suudab seda järjestust ära tunda ja mitte teise, lõikab selle mõlemas molekulis konkreetses kohas. Mõnede teiste tegurite abil vahetab ta kahe osaleva molekuli DNA ribasid ja moodustab kointegratsiooni.

Escherichia coli ja lambda

See on bakteri genoomi vahelise kointegratsiooni moodustumise aluseks Escherichia coli ja bakteriofaagi lambda. Bakteriofaag on viirus, mis nakatab baktereid.

Selle kointegratsiooni moodustumist teostab viiruse genoomis kodeeritud ensüüm: lambda integraas. See tuvastab ühise järjestuse, mida nimetatakse attP viiruse tsirkulaarses genoomis ja attB bakteris.

Mõlema molekuli mõlema järjestuse lõikamisega genereeritakse vabad segmendid, vahetatakse ansamblid ja ühendatakse need kaks genoomi. Moodustub suurem ring või kointegratsioon.

Kointegratsiooni korral kannab viiruse genoomi passiivselt bakteriaalne genoom, millega see kordub. Selles olekus öeldakse, et viirus on proviruses ja et bakter on sama lüsogeenne.

Pöördprotsess, st integreeritud resolutsioon, võib võtta palju põlvkondi - või isegi mitte. Siiski, kui seda tehakse, vahendab see ensüümiliselt teise valgu, mida kodeerib viiruse genoom, mida nimetatakse excisionasaks. Kui see juhtub, eraldab viirus kointegratsioonist, aktiveerib uuesti ja põhjustab rakkude lüüsi.

-Homoloogne rekombinatsioon

Üldistatud rekombinatsioon

Homoloogset rekombinatsiooni kontrollitakse DNA molekulide vahel, millel on vähemalt 40 nukleotiidi täieliku või peaaegu täieliku sarnasusega. Rekombinatsiooniprotsessi läbiviimiseks peab osalema vähemalt üks endonukleaas.

Endonukleaasid on ensüümid, mis tekitavad DNA sisemisi kärpeid. Mõned teevad seda DNA degradeerimiseks. Teised, nagu rekombinatsiooni puhul, teevad seda, et tekitada DNA-s mõlk.

See ainulaadne nick võimaldab teil töödelda ühte DNA riba vaba otsaga. See vaba ots, mida juhib rekombinaas, võimaldab ühel bändil tungida topelt DNA-sse, asendades sellega samasuguse elanikkonnariba..

See on doonor-DNA molekuli ("sissetungija") ja teise saaja vahel ületamise punkt.

Ensüüm (rekombinaas), mis viib läbi sissetungimise ja ribade vahetamise Escherichia coli seda nimetatakse RecA-ks. Prokarüootides on näiteks ka teisi homoloogseid valke, nagu näiteks RadA araakides. Eukarüootides nimetatakse samaväärset ensüümi RAD51.

Kui sissetungiv gang viibib elaniku ümber, suhtleb ta doonorimolekulis lihtsaks jäänud ribaga. Mõlemad punktid suletakse ligaasi toimega.

Nüüd on DNA hübriidribadest (doonorriba ja erineva päritoluga retseptorribad), mida külgnevad doonori DNA ja retsipient-DNA. Ristpunktid (chiasmas) liiguvad mõlemas suunas vähemalt 200 bp.

Iga ristsidumispunkt moodustab Holliday struktuuri (rekombinatsiooni sündmusest tulenev risti-DNA).

See ristisuunaline DNA tuleb lahutada teiste endonukleaasidega. Selle struktuuri hübriid- või kimäärset DNA-d saab lahendada kahel viisil. Kui teine ​​endonukleotiidi lõikamine toimub samas ribas, kus esimene toimus, siis rekombinatsiooni ei genereerita. Kui teine ​​lõikamine toimub teises ribas, on saadud produktid rekombinantsed.

Rekombinatsioon V (D) J

See on somaatilise rekombinatsiooni (mitte meiootilise) tüüp, mis aitab kaasa immuunsüsteemi antikehade tohutu varieeruvuse tekkele..

Seda rekombinatsiooni kontrollitakse geenide konkreetsetes fragmentides, mis kodeerivad neid defineerivaid polüpeptiidahelaid. Selle viivad läbi B-rakud ja see hõlmab erinevaid geneetilisi piirkondi.

Huvitaval kombel on selliseid parasiite Trypanosoma brucei mis kasutavad sarnast rekombinatsioonimehhanismi pinnaantigeeni varieeruvuse loomiseks. Sel viisil võivad nad vältida peremehe reaktsiooni, kui ta ei suuda genereerida antikeha, mis on võimeline "uut" antigeeni ära tundma..

-Mittehomoloogiline rekombinatsioon

Lõpuks on olemas rekombinatsiooniprotsessid, mis ei sõltu osalevate molekulide järjestuse sarnasusest. Eukarüootides on väga oluline näiteks mittehomoloogiliste otsade rekombinatsioon.

See esineb DNA fragmentidega, millel on DNA-s kahekordse riba katkestused. Need "parandavad" need rakud, mis ühendavad neid teiste fragmentidega võrdselt kahekordse lõhenemisega.

Kuid need molekulid ei pea tingimata olema sarnased selles rekombinatsiooniprotsessis osalemiseks. See tähendab, et kahjustuse parandamisega saab rakk siduda mitteseotud DNA-sid, luues tõeliselt uue (rekombinantse) molekuli. 

Rekombinatsiooni tähtsus

Tähtsus põhjusena: DNA replikatsioon ja parandamine

Rekombinatsioon tagab DNA informatsiooni truuduse replikatsiooniprotsessi ajal ja pärast seda. Rekombinatsioon tuvastab DNA kahjustused selle äärmiselt pika makromolekuli uute ribade loomisel.

Kuna igal bändil on oma teave ja selle täiendus, tagab rekombinatsioon, et ükski neist ei kao. Igaüks tegutseb teise tunnistajana. Samamoodi on diploidsetes organismides homoloogne kromosoom oma venna tunnistaja ja vastupidi.

Teisest küljest, kui DNA on replitseeritud, on selle molekuli kahjustuste parandamise mehhanismid erinevad. Mõned neist on otsesed (otseselt kahju suhtes) ja teised on kaudsed.

Kaudsed remondimehhanismid sõltuvad teostatavast rekombinatsioonist. See tähendab, et ühe DNA molekuli kahjustuse parandamiseks kasutatakse teist homoloogset molekuli. See toimiks reparatiivses rekombinatsioonis kui kahjustatud vormis.

Selle olulisus: geneetilise varieeruvuse teke

Rekombinatsioon on võimeline tekitama mioosi ajal tohutut kromosomaalset varieeruvust. Somaatiline rekombinatsioon tekitab samuti varieeruvust, nagu selgroogsete loomade antikehade puhul.

Paljudes organismides on meioos gametica. Seksuaalse paljunemisega organismides osutub rekombinatsioon üheks kõige võimsamaks viisiks varieeruvuse tekitamisel.

See tähendab, et spontaansele mutatsioonile ja kromosoomide segregatsioonile on vaja lisada rekombinatsioon teise generaatorelemendina gametilise varieeruvuse korral..

Seevastu bakteriofaagi genoomide integreerimine saidipõhise rekombinatsiooniga on kaasa aidanud nende peremeesbakterite genoomide ümberkujundamisele..

See on aidanud kaasa selle olulise elusolendite grupi genoomse varieeruvuse ja evolutsiooni tekkele.

Rekombinatsioon ja tervis

Oleme juba näinud, et DNA-d saab parandada, kuid mitte seda, mis seda kahjustab. Tegelikult võib peaaegu kõik kahjustada DNA-d, alustades defektsest replikatsioonist, mida ei parandata.

Kuid lisaks sellele võib DNA kahjustada UV-kiirguse, ioniseeriva kiirguse, vaba hingamise radikaalide, rakulise hingamise abil ning seda, mida sööme, suitsetame, hingame, sööme või puudutame.

Õnneks ei pea te DNA kaitsmiseks elust loobuma. Teatud asjadest tuleb loobuda, kuid suur tööd teeb rakk ise. Need DNA kahjustuste avastamise mehhanismid ja nende parandamine on ilmselgelt geneetiline alus ja selle puudus, tohutud tagajärjed.

Homoloogse rekombinatsiooni puudustega seotud haiguste hulka kuuluvad näiteks Bloomi ja Werneri sündroomid, rinna- ja munasarjade perekondlik vähk jne..

Viited

  1. Alberts, B., Johnson, A.D., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6. väljaanne). W. W. Norton & Company, New York, NY, USA.
  2. Bell, J.C., Kowalczykowski, S.C. (2016) Mehaanika ja ühe molekuli ülekuulamine DNA rekombinatsioonist. Iga-aastane ülevaade: Biochemistry, 85: 193-226.
  3. Prado, F. () Homoloogne rekombinatsioon: kahvli ja kaugemale. Geenid, doi: 10,3390 / genes9120603
  4. Griffiths, A.J.F., Wessler, R., Carroll, S.B., Doebley, J. (2015). Geneetilise analüüsi sissejuhatus (11. trükk). New York: W. H. Freeman, New York, NY, USA.
  5. Tock, A.J., Henderson, I.R. (2018) Hotspotid Meiootilise rekombinatsiooni algatamiseks. Piirid geneetikas, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
  6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) A Salmonella enterica: liikumapanev jõud oma bakteriaalse peremehe genoomide ja füsioloogia ümberkujundamisel? Molekulaarne mikrobioloogia, doi: 10,1111 / mmi.14167.
  7. Wright, W. D., Shah, S., Heyer, W. D. (2018) Homoloogne rekombinatsioon ja DNA parandamine kaheahelalised katkestused. Journal of Biological Chemistry, 293: 10524-10535