Типове и механизми на генетична рекомбинация

на генетична рекомбинация е процесът, чрез който молекулите на нуклеиновата киселина разменят фрагменти, генериращи нова молекула. Той е много често срещан в ДНК, но РНК също е субстрат за рекомбинация. След мутацията рекомбинацията е най-важният източник на генетична променливост.

ДНК участва в различни биохимични процеси. По време на репликацията, той служи като шаблон за генерирането на две нови ДНК молекули. В транскрипцията, тя позволява да се генерират РНК молекули от специфични региони, контролирани от промотор.

Но в допълнение към това, ДНК е способна да обменя фрагменти. Чрез този процес се генерират нови комбинации, които не са продукт на предишните два процеса, нито на оплождането.

Всеки процес на рекомбинация включва счупване и свързване на ДНК молекулите, участващи в процеса. Този механизъм варира в зависимост от това кой е рекомбинационният субстрат, ензимите, включени в процеса, и механизма на неговото изпълнение..

Рекомбинацията обикновено зависи от съществуването на комплементарни области, подобни (ако не са идентични) или хомоложни между рекомбиниращите молекули. В случай, че те рекомбинират молекули в процеси, които не се ръководят от хомология, се казва, че рекомбинацията не е хомоложна.

Ако хомологията включва много къса област, присъстваща в двете молекули, се казва, че рекомбинацията е специфична за мястото.

индекс

• 1 Определение
  • 1.1 Хиазъм и кръстосано свързване
• 2 Видове генетична рекомбинация
  • 2.1-Специфична за обекта рекомбинация
  • 2.2-Хомоложна рекомбинация
  • 2.3 - Нехомоложна рекомбинация
• 3 Значение на рекомбинацията
  • 3.1 Значение като причина: репликация и поправка на ДНК
  • 3.2 Значение като следствие: генериране на генетична вариабилност
  • 3.3 Рекомбинация и здраве
• 4 Препратки

дефиниция

Това, което наричаме хомология в рекомбинацията, не е задължително да напомня за еволюционния произход на участващите молекули. Говорим повече за степента на сходство в нуклеотидната последователност.

Нерепаративна рекомбинация, например, се появява при еукариоти по време на мейозния процес. Безспорно не може да има по-голяма хомология, отколкото между двойки хромозоми в една и съща клетка.

Ето защо те се наричат ​​хомоложни хромозоми. Има обаче случаи, при които ДНК на клетката обменя материал с чужда ДНК. Тези ДНК-и трябва да са много сходни с рекомбинирането, но не е задължително да споделят един и същ прародител (хомология), за да го постигнат..

Хиазъм и кръстосано свързване

Мястото на обединяване и обмен между две ДНК молекули се нарича хиазъм и процесът като такъв, омрежване. По време на кръстосването се проверява обмен на ленти между участващите ДНК.

Това генерира коинтеграция, която е две молекули ДНК, физически обединени в едно. Когато коинтеграцията е "решена", се генерират две молекули, които обикновено се променят (рекомбинантно).

"Решаване", в контекста на рекомбинация, е да се разделят компонентите на ДНК молекулите на коинтеграцията.

Видове генетична рекомбинация

-Специфична за сайта рекомбинация

В сайт-специфичната рекомбинация, две ДНК молекули, обикновено нехомоложни, имат кратка последователност, обща за двете. Тази последователност е насочена от специфичен ензим на сплайсинг.

Ензимът, способен да разпознае тази последователност, а не друг, го разрязва на определено място в двете молекули. С помощта на някои други фактори той обменя ДНК-лентите на двете участващи молекули и образува коинтеграция.

Escherichia coli и ламбда

Това е основата на образуването на коинтеграцията между генома на бактерията Escherichia coli и тази на бактериофага ламбда. Бактериофагът е вирус, който заразява бактериите.

Образуването на този коинтеграт се извършва от ензим, кодиран в генома на вируса: ламбда интеграза. Това разпознава обичайната последователност, наречена attP в кръговия геном на вируса, и attB в бактерията.

Чрез отрязване на двете последователности в двете молекули, той генерира свободни сегменти, обменя лентите и обединява двата генома. Образува се по-голям кръг или се коинтегрира.

В коинтегрирания, геномът на вируса се носи пасивно от бактериалния геном, с който се репликира. В това състояние се казва, че вирусът е в състояние на провирус и че бактерията е лизогенна за същото.

Обратният процес, т.е. коинтегрираната резолюция, може да отнеме много поколения - или дори да не се случи. Обаче, ако е направено, то е ензимно медиирано от друг протеин, кодиран от вирусния геном, наречен ексцизианаза. Когато това се случи, вирусът се отделя от коинтеграта, реактивира и предизвиква клетъчен лизис.

-Хомоложна рекомбинация

Обобщена рекомбинация

Хомоложната рекомбинация се проверява между ДНК молекули, които споделят най-малко 40 нуклеотида с пълно или почти пълно сходство. За да се осъществи процесът на рекомбинация, трябва да участва поне една ендонуклеаза.

Ендонуклеазите са ензими, които генерират вътрешни съкращения в ДНК. Някои го правят, за да продължат да разграждат ДНК. Други, както в случая на рекомбинация, правят това, за да генерират пробив в ДНК.

Този уникален ник ви позволява да обработвате една ДНК лента със свободен край. Този свободен край, ръководен от рекомбиназа, позволява на една и съща лента да нахлуе в двойна ДНК, измествайки резидентната лента, идентична с нея.

Това е точката на пресичане, между донорска ДНК молекула ("нашественик") и друг реципиент.

Ензимът (рекомбиназа), който осъществява процеса на инвазия и обмена на ленти в Escherichia coli нарича се RecA. Има и други хомоложни протеини в прокариотите, като RadA в археите. При еукариотите еквивалентният ензим се нарича RAD51.

След като нахлуващата банда измести резидента, тя взаимодейства с лентата, която остава проста в донорната молекула. И двете точки са запечатани чрез действието на лигаза.

Сега имаме ДНК от хибридни ленти (донорна лента и рецепторна лента, с различен произход), обградени от донорска ДНК и реципиентна ДНК. Пресечните точки (chiasmas) се движат в двете посоки най-малко 200 bp.

Всяка точка на омрежване образува така наречената Холидей структура (кръстообразна ДНК, получена от рекомбинационно събитие).

Тази кръстовидна ДНК трябва да бъде разделена от други ендонуклеази. Хибридната или химерната ДНК на тази структура може да бъде решена по два начина. Ако вторият ендонуклеотиден разрез се случи в същата лента, в която се е появил първият, не се генерира рекомбинация. Ако второто нарязване се случи в другата лента, получените продукти са рекомбинантни.

Рекомбинация V (D) J

Това е вид соматична рекомбинация (не мейотична), която допринася за генерирането на огромна вариабилност на антителата на имунната система..

Тази рекомбинация се проверява по-специално фрагменти от гените, които кодират полипептидните вериги, които ги дефинират. Извършва се от В-клетки и включва различни генетични области.

Интересното е, че има паразити като Trypanosoma brucei които използват подобен рекомбинационен механизъм за създаване на вариабилност в повърхностния антиген. По този начин те могат да избегнат отговора на гостоприемника, ако не успее да генерира антитяло, способно да разпознае "новия" антиген..

-Нехомоложна рекомбинация

Накрая, има рекомбинационни процеси, които не зависят от подобието на последователността на участващите молекули. При еукариотите е много важно, например, рекомбинацията на нехомоложни краища.

Това се случва с ДНК фрагменти, които имат двойно разкъсване в ДНК. Те се "ремонтират" от клетката, която ги свързва с други фрагменти, еднакво с двойно разкъсване на лентата.

Обаче, тези молекули не е задължително да бъдат подобни, за да участват в този процес на рекомбинация. Тоест, чрез възстановяване на увреждането, клетката може да свърже несвързани ДНК, създавайки наистина нова (рекомбинантна) молекула. 

Значение на рекомбинацията

Значение като причина: репликация и възстановяване на ДНК

Рекомбинацията гарантира точността на ДНК информацията по време и след процеса на репликация. Рекомбинацията открива увреждане на ДНК по време на процеса на създаване на нови ленти в тази изключително дълга макромолекула.

Тъй като всяка група има своя собствена информация и тази на нейното допълнение, рекомбинацията гарантира, че никой не се губи. Всеки от тях действа като свидетел на другия. По същия начин, при диплоидни организми, хомоложната хромозома е свидетел на неговия брат и обратно.

От друга страна, след като ДНК е била репликирана, механизмите за възстановяване на увреждането на тази молекула са разнообразни. Някои от тях са преки (действа директно върху вредата), а други са косвени.

Механизмите за непряко възстановяване зависят от провежданата рекомбинация. Това означава, че за възстановяване на увреждането в една ДНК молекула се използва друга хомоложна молекула. Това би действало при репаративната рекомбинация като плесен, който е претърпял щети.

Значение като следствие: генериране на генетична вариабилност

Рекомбинацията е способна да създаде огромна хромозомна вариабилност по време на мейозата. Соматичната рекомбинация също генерира променливост, както в случая на антитела при гръбначни животни.

В много организми мейозата е gamética. В организмите с полово размножаване, рекомбинацията се оказва един от най-мощните начини за генериране на променливост.

С други думи, за спонтанните мутации и сегрегацията на хромозомите е необходимо да се добави рекомбинацията като друг генераторен елемент на гаметичната вариабилност..

Интегрирането на геномите на бактериофагите чрез специфична за обекта рекомбинация, от друга страна, е допринесло за ремоделирането на генома на техните бактерии-гостоприемници..

Това е допринесло за генерирането на геномна променливост и еволюция на тази важна група живи същества.

Рекомбинацията и здравето

Вече видяхме, че ДНК може да бъде поправена, но не и това, което я уврежда. Всъщност, почти всичко може да повреди ДНК, като се започне с дефектна репликация, която не се коригира.

Но освен това, ДНК може да бъде повредена от UV светлина, йонизиращо лъчение, свободни кислородни радикали, продукт на клетъчното дишане, и това, което ядем, пушим, дишаме, ядем или докосваме.

За щастие не е нужно да се отказвате от живота, за да защитите ДНК. Човек трябва да се отрече от определени неща, но голямата работа се извършва от самата клетка. Тези механизми за откриване на увреждане на ДНК и нейното възстановяване очевидно имат генетична основа, а нейният дефицит - огромни последствия..

Заболяванията, свързани с дефекти в хомоложната рекомбинация включват, например, синдромите на Bloom и Werner, фамилен рак на гърдата и яйчниците и др..

препратки

1. Alberts, B., Johnson, A.D., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6-то издание). W. Norton & Company, Ню Йорк, Ню Йорк, САЩ.
2. Bell, J.C., Kowalczykowski, S.C. (2016) Механика и едно-молекулно разпитване на ДНК рекомбинация. Годишен преглед на биохимията, 85: 193-226.
3. Prado, F. () Хомоложна рекомбинация: За вилица и отвъд. Гени, doi: 10.3390 / genes9120603
4. Griffiths, A.J.F., Wessler, R., Carroll, S.B., Doebley, J. (2015). Въведение в генетичния анализ (11-то изд.). Ню Йорк: У. Х. Фрийман, Ню Йорк, Ню Йорк, САЩ.
5. Tock, A.J., Henderson, I.R. (2018) горещи точки за иницииране на мейотична рекомбинация. Граници в генетиката, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) A Prophages in Salmonella enterica: движеща сила при преструктурирането на генома и физиологията на техния бактериален гостоприемник? Молекулярна микробиология, doi: 10.1111 / mmi.14167.
7. Wright, W.D., Shah, S., Heyer, W. D. (2018) Хомоложна рекомбинация и почивка на двойни нишки на ДНК. Journal of Biological Chemistry, 293: 10524-10535