Homoloogsed rekombinatsiooni funktsioonid, mehhanism ja rakendused



The homoloogne rekombinatsioon see on protsess, mis hõlmab DNA molekulide vahetamist sarnaste või identsete genoomi osade vahel. Rakud kasutavad homoloogset rekombinatsiooni peamiselt geneetilise materjali purunemiste parandamiseks, tekitades populatsioonide geneetilise varieeruvuse.

Üldiselt eeldab homoloogne rekombinatsioon geneetilise materjali homoloogiliste tsoonide füüsilist sidumist, millele järgneb ahelate murdmine, mida vahetatakse, ja lõpuks uute DNA molekulide liitmine..

DNA katkestused tuleb parandada nii kiiresti ja tõhusalt kui võimalik. Kui kahjustusi ei parandata, võivad tagajärjed olla tõsised ja isegi surmavad. Bakterites on homoloogse rekombinatsiooni peamine ülesanne parandada neid katkestusi geneetilises materjalis.

Homoloogset rekombinatsiooni peetakse üheks peamiseks mehhanismiks, mis võimaldab genoomi stabiilsust. See on olemas kõigis eluvaldkondades ja isegi viirustes, nii et arvatavasti on see elutähtis mehhanism, mis ilmnes väga varakult elu arengus.

Indeks

  • 1 Ajalooline perspektiiv
  • 2 Mis on homoloogne rekombinatsioon?
  • 3 Homoloogse rekombinatsiooni funktsioonid ja tagajärjed
    • 3.1 Bakterites
  • 4 Mehhanism
    • 4.1 Synapses
    • 4.2 D-ahela koolitus
    • 4.3 Holliday ametiühingute moodustamine
    • 4.4. Valgud
  • 5 Rekombinatsiooniprotsessidega seotud kõrvalekalded
  • 6 Rekombinatsiooni rakendused
  • 7 Muud tüüpi rekombinatsioon
  • 8 Viited

Ajalooline perspektiiv

Üks Gregor Mendeli pakutud olulisemaid põhimõtteid on tähemärkide eraldamise sõltumatus. Selle seaduse kohaselt liiguvad erinevad geenid vanematelt lastele iseseisvalt.

Kuid 1900. aastal oli selle põhimõtte suhtes väga selgeid erandeid. Inglise geneetikud Bateson ja Punnett näitasid, et mitu korda on teatud tähemärki päritud koos ja nende omaduste puhul ei ole Mendeli poolt kehtestatud põhimõttel kehtivust.

Hiljem õnnestus uurida rekombinatsiooniprotsessi olemasolu, kus rakud olid võimelised vahetama geneetilist materjali. Juhul, kui geenid pärisid koos, ei vahetatud DNA-d geenide vahelise füüsilise läheduse tõttu.

Mis on homoloogne rekombinatsioon?

Homoloogne rekombinatsioon on raku nähtus, mis hõlmab DNA järjestuste füüsilist vahetamist kahe kromosoomi vahel. Rekombinatsioon hõlmab geenide tuntust rec. Need erinevad protsessis osalevate ensüümide koodid.

DNA molekule peetakse "homoloogseteks", kui neil on sarnased või identsed järjestused, mis sisaldavad rohkem kui 100 aluspaari. DNA-l on väikesed piirkonnad, mis võivad üksteisest erineda, ja neid variante tuntakse alleelidena.

Elusolendites loetakse kogu DNA rekombinantseks DNA-ks. Geneetilise materjali vahetus kromosoomide vahel toimub pidevalt, segades ja ümberkorraldades geenid kromosoomides.

See protsess ilmneb ilmselt mioosis. Täpsemalt selles faasis, kus kromosoomid on ühendatud esimese raku jagunemisega. Selles etapis toimub geneetilise materjali vahetus kromosoomide vahel.

Ajalooliselt on see protsess kirjanduses tähistatud anglosaksi sõnaga ületamine. See sündmus on üks homoloogse rekombinatsiooni tulemustest.

Sagedus ületamine kahe sama kromosoomi geeni vahel sõltub peamiselt nende kahe vaheline kaugus; mida väiksem on nende vaheline füüsiline vahemaa, seda väiksem on vahetus sagedus.

Homoloogse rekombinatsiooni funktsioonid ja tagajärjed

Geneetiline materjal puutub pidevalt kokku endogeensetest ja eksogeensetest allikatest, näiteks kiirgusest põhjustatud kahjustustele.

Hinnanguliselt on inimese rakkudes DNA-s märkimisväärne hulk kahjustusi, mis on kümnete kuni sadade päevas. Need kahjustused tuleb parandada, et vältida võimalikke kahjulikke mutatsioone, replikatsiooni ummistusi ja transkriptsiooni ning kahjustusi kromosoomi tasandil.

Meditsiinilisest vaatenurgast põhjustab DNA-kahjustus, mida ei parandata õigesti, tuumorite ja teiste patoloogiate tekkimist.

Homoloogne rekombinatsioon on sündmus, mis võimaldab parandada DNA-d, võimaldades kadunud järjestuste taastumist, kasutades matriitsina teist DNA ahelat (homoloogne).

See ainevahetusprotsess esineb kõigis eluvormides, pakkudes kõrge täpsusega mehhanismi, mis võimaldab parandada lünki DNA-s, kaheahelalisi katkestusi ja DNA ahelate omavahelisi sidemeid.

Rekombinatsiooni üks kõige olulisemaid tagajärgi on uue geneetilise variatsiooni teke. Koos mutatsioonidega on need kaks protsessi, mis tekitavad elusolendite varieeruvust - pidage meeles, et areng on evolutsiooni tooraine.

Lisaks pakub see mehhanismi kahjustatud replikatsiooni kahvlite taaskäivitamiseks.

Bakterites

Bakterites esineb sageli horisontaalse geeniülekande juhtumeid. Need liigitatakse konjugatsiooniks, transformatsiooniks ja transduktsiooniks. Siin võtavad prokarüoodid DNA-d teistelt organismidelt ja isegi erinevatelt liikidelt.

Nende protsesside käigus toimub vastuvõtva raku ja doonoriraku vahel homoloogne rekombinatsioon.

Mehhanism

Homoloogne rekombinatsioon algab murdumisega kromosomaalse DNA molekuli ühes ahelas. Pärast seda toimuvad mitmed ensüümide poolt katalüüsitud sammud.

3'-otsa, kus lõikamine toimub, tungib topelthomoloogiline DNA ahel. Invasiooni protsess on otsustava tähtsusega. "Homoloogse ahelaga" soovime viidata kromosoomide osadele, millel on lineaarses järjekorras samad geenid, kuigi nukleotiidjärjestused ei pea olema identsed.

Sünapsed

See ahela invasioon asetab homoloogsed kromosoomid üksteise vastu. Seda ahelatega seotud nähtust nimetatakse sünapsiseks (seda ei tohi segi ajada neuronite sünapsidega, siin kasutatakse terminit teise tähendusega).

Synapse ei tähenda tingimata otsest kontakti mõlema homoloogse järjestuse vahel, DNA võib jätkata liikumist mõnda aega, kuni ta leiab homoloogse osa. Seda otsinguprotsessi nimetatakse homoloogiliseks joondamiseks.

D-ahela moodustumine

Seejärel toimub sündmus nimega "niidi invasioon". Kromosoom on DNA kahekordne heeliks. Homoloogses rekombinatsioonis otsivad homoloogseid järjestusi kaks kromosoomi. Ühes heliisist eralduvad ahelad ja see ahel "tungib" topeltheliksi struktuuri, moodustades struktuuri nimega loop D.

D-ahela ahel on nihkunud selle ahela sissetungi kaudu, mis kujutab rebendit ja paari koos esialgse topeltheliksi täiendava ahelaga.

Holliday ametiühingute moodustamine

Järgmine samm on Holliday ristmike moodustamine. Siin on vahetatud keermete otsad ühendatud. See liit on võimeline liikuma mis tahes suunas. Liit võib puruneda ja moodustada mitmel korral.

Lõplik rekombinatsiooniprotsess on nende ristmike resolutsioon ja rakul on kaks võimalust või viisid selle saavutamiseks. Üks neist on ametiühingu lagunemine või eukarüootsetele organismidele tüüpiline lahustumine.

Esimeses mehhanismis regenereerib Holliday liidu lagunemine kaks ahelat. Teises "lagunemise" sündmuses tekib liidus ükskõik milline kokkuvarisemine.

Kaasatud proteiinid

Rekombinatsiooniprotsessi otsustavat valku nimetatakse eR-i rakkudes Rad51-ks ja RecA-s Escherichia coli. See toimib rekombinatsiooni erinevates faasides: enne sünapsi, selle ajal ja pärast seda.

Rad51 valk hõlbustab füüsilise seose teket sissetungiva DNA ja karastatud DNA vahel. Selles protsessis genereeritakse heteroduplex DNA.

Rad51 ja selle homoloog RecA katalüüsivad homoloogse DNA otsimist ja DNA ahelate vahetamist. Neil valkudel on võime ühineda üheahelalise DNA-ga.

Samuti on Rad51, mida nimetatakse Rad55 ja Rad57, paralogilised geenid (pärinevad organismide geenide dubleerimise sündmustest). Inimestel on identifitseeritud viis Rad51 paraloggeeni Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 ja Xrcc3..

Rekombinatsiooniprotsessidega seotud kõrvalekalded

Kuna rekombinatsioon nõuab kromosoomides füüsilist sidumist, on see otsustav samm õiges segregatsioonis mioosi ajal. Kui ei esine piisavat rekombinatsiooni, võib tulemus olla märkimisväärne patoloogia.

Kromosoomide mitte-disjunktsioon või segregatsioonis esinevad vead on üks kõige sagedasemaid kromosomaalse päritolu aborte ja anomaaliaid, nagu kromosoom 21, mis põhjustab Down'i sündroomi.

Kuigi rekombinatsioon on tavaliselt üsna täpne protsess, korduvad genoomi piirkonnad ja geenid, millel on genoomi mitu koopiat, on elemendid, mis on kalduvad ebavõrdne ületamine.

See põimimine tekitab erinevaid kliinilisi tunnuseid, sealhulgas sagedased haigused nagu talassemia ja autism..

Rekombinatsiooni rakendused

Molekulaarbioloogid on ära kasutanud teadmisi homoloogilise rekombinatsiooni mehhanismist erinevate tehnoloogiate loomiseks. Üks neist võimaldab organismide loomist.väljalangemine".

Need geneetiliselt muundatud organismid võimaldavad selgitada huvipakkuva geeni funktsiooni.

Üks metoodikast, mida kasutati knockouts see koosneb spetsiifilise geeni ekspressiooni pärssimisest, mis asendab algset geeni modifitseeritud või "kahjustatud" versiooniga. Geen vahetatakse muteeritud versiooni vastu homoloogse rekombinatsiooni abil.

Muud tüüpi rekombinatsioon

Lisaks homoloogilisele või õigustatud rekombinatsioonile on olemas ka teisi geneetilise materjali vahetamise liike.

Kui materjali vahetavad DNA piirkonnad ei ole alleelsed (homoloogsete kromosoomide puhul), on tulemuseks geenide dubleerimine või vähenemine. Seda protsessi tuntakse kui mittehomoloogilist rekombinatsiooni või ebavõrdset rekombinatsiooni.

Üheskoos võib geneetilist materjali vahetada sama kromosoomi õde kromatiidide vahel. See protsess toimub nii meiootilises kui ka mitootilises jaotuses ning seda nimetatakse ebavõrdseks vahetuseks.

Viited

  1. Baker, T. A., Watson, J. D., & Bell, S. P. (2003). Geeni molekulaarbioloogia. Benjamin-Cummings Publishing Company.
  2. Devlin, T. M. (2004). Biokeemia: kliiniliste rakendustega õpik. Ma pöördusin tagasi.
  3. Jasin, M., & Rothstein, R. (2013). Lõhkekatkestuste parandamine homoloogse rekombinatsiooni teel. Külma kevadise sadama perspektiivid bioloogias, 5(11), a012740.
  4. Li, X. & Heyer, W. D. (2008). Homoloogne rekombinatsioon DNA parandamisel ja DNA kahjustuste taluvus. Rakkude uurimine, 18(1), 99-113.
  5. Murray, P.R., Rosenthal, K.S., & Pfaller, M.A. (2017). Meditsiiniline mikrobioloogia. Elsevier Health Sciences.
  6. Nussbaum, R. L., McInnes, R. R. ja Willard, H. F. (2015). Thompson & Thompsoni geneetika meditsiini e-raamatus. Elsevier Health Sciences.
  7. Virgili, R. O. & Taboada, J. M. V. (2006). Inimese genoom: uued edusammud teadusuuringutes, diagnoosimisel ja ravis. Edicions Universitat Barcelona.