Хомоложни рекомбинационни функции, механизми и приложения

на хомоложна рекомбинация това е процес, който включва обмена на ДНК молекули между подобни или идентични части на генома. Клетките използват хомоложна рекомбинация главно за възстановяване на прекъсвания в генетичния материал, генерирайки генетични вариации в популациите..

Като цяло, хомоложната рекомбинация предполага физическо сдвояване между хомоложните зони на генетичния материал, последвано от счупване на веригите, които ще преминат обмена, и накрая обединението на новите ДНК молекули..

Прекъсванията в ДНК трябва да бъдат ремонтирани възможно най-бързо и ефективно. Когато щетите не бъдат поправени, последствията могат да бъдат сериозни и дори смъртоносни. При бактериите основната функция на хомоложната рекомбинация е да възстанови тези прекъсвания в генетичния материал.

Хомоложната рекомбинация се счита за един от основните механизми, които позволяват стабилността на генома. Той присъства във всички области на живота и дори във вируси, така че вероятно това е жизненоважен механизъм, който се появи много рано в еволюцията на живота.

индекс

• 1 Историческа перспектива
• 2 Какво е хомоложна рекомбинация?
• 3 Функции и последствия от хомоложна рекомбинация
  • 3.1 В бактериите
• 4 Механизъм
  • 4.1 Синапси
  • 4.2 Обучение на цикъл D
  • 4.3 Създаване на холидей синдикати
  • 4.4 Включени протеини
• 5 Аномалии, свързани с процесите на рекомбинация
• 6 Приложения на рекомбинация
• 7 Други видове рекомбинация
• 8 Препратки

Историческа перспектива

Един от най-важните принципи, предложени от Грегор Мендел, е независимостта в сегрегацията на героите. Според този закон различните гени преминават от родители към деца самостоятелно.

През 1900 г. обаче е очевидно наличието на много изразени изключения от този принцип. Английските генетици Bateson и Punnett демонстрираха, че много пъти определени символи се наследяват заедно, а за тези характеристики принципът, описан от Мендел, няма валидност.

По-късните проучвания успяха да изяснят съществуването на процеса на рекомбинация, където клетките бяха в състояние да обменят генетичния материал. В случаите, когато гените, наследени заедно, ДНК не е била обменена поради физическата близост между гените.

Какво е хомоложна рекомбинация?

Хомоложната рекомбинация е клетъчно явление, което включва физическия обмен на ДНК последователности между две хромозоми. Рекомбинацията включва набор от гени, известни като гени REC. Те кодират различни ензими, включени в процеса.

ДНК молекулите се считат за "хомоложни", когато имат сходни или идентични последователности от повече от 100 базови двойки. ДНК има малки области, които могат да се различават един от друг и тези варианти са известни като алели.

В живите същества цялата ДНК се счита за рекомбинантна ДНК. Обменът на генетичен материал между хромозомите става непрекъснато, смесвайки и пренареждайки гените в хромозомите.

Този процес очевидно се проявява при мейозата. Специфично във фазата, където хромозомите са сдвоени в първото клетъчно делене. На този етап се осъществява обменът на генетичен материал между хромозомите.

Исторически този процес е посочен в литературата с помощта на англосаксонската дума пресичане. Това събитие е един от резултатите от хомоложна рекомбинация.

Честотата на пресичане между два гена на една и съща хромозома зависи главно от разстоянието между двете; колкото по-малка е физическата дистанция между тях, толкова по-ниска е честотата на обмен.

Функции и последствия от хомоложна рекомбинация

Генетичният материал е постоянно изложен на повреди, причинени от ендогенни и екзогенни източници, като например радиация.

Смята се, че човешките клетки представят значителен брой лезии в ДНК, от порядъка на десетки до стотици на ден. Тези лезии трябва да бъдат ремонтирани, за да се избегнат потенциални вредни мутации, блокиране при репликация и транскрипция и увреждане на хромозомното ниво..

От медицинска гледна точка увреждането на ДНК, което не се поправя правилно, води до развитие на тумори и други патологии.

Хомоложна рекомбинация е събитие, което позволява възстановяването на ДНК, позволявайки възстановяването на изгубени последователности, като се използва като матрица другата ДНК верига (хомоложна)..

Този метаболитен процес присъства във всички форми на живот, осигурявайки механизъм с висока прецизност, който позволява да се поправят "пропуските" в ДНК, двойно-верижните прекъсвания и кръстосаните връзки между ДНК веригите..

Едно от най-важните последици от рекомбинацията е генерирането на нови генетични вариации. Заедно с мутациите, те са двата процеса, които генерират вариации в живите същества - помнете, че вариацията е суровината за еволюцията.

В допълнение, той осигурява механизъм за рестартиране на вилиците за репликация, които са били повредени.

При бактериите

При бактериите има чести случаи на хоризонтален трансфер на гени. Те се класифицират като конюгация, трансформация и трансдукция. Тук прокариотите вземат ДНК от друг организъм и дори от различни видове.

По време на тези процеси се извършва хомоложна рекомбинация между реципиентната клетка и донорната клетка.

механизъм

Хомоложната рекомбинация започва с прекъсване в една от веригите на хромозомната ДНК молекула. След това се случват редица етапи, катализирани от множество ензими.

3'-краят, където се получава нарязването, е нахлул от двойната хомоложна ДНК верига. Процесът на инвазия е от решаващо значение. С "хомоложна верига" ние искаме да се позовем на части от хромозомите, които имат еднакви гени в линеен ред, въпреки че нуклеотидните последователности не трябва да бъдат идентични..

синапс

Тази инвазия на веригата поставя хомоложните хромозоми една срещу друга. Това явление на сблъскване на нишки се нарича синапсис (да не се бърка със синапсите в невроните, тук терминът се използва с друго значение).

Синапсът не означава непременно пряк контакт между двете хомоложни последователности, ДНК може да продължи да се движи за известно време, докато намери хомоложната част. Този процес на търсене се нарича хомоложно подравняване.

Формиране на D контура

След това се случва събитие, наречено "инвазия на нишката". Хромозомата е двойна спирала на ДНК. При хомоложна рекомбинация два хромозоми търсят своите хомоложни последователности. В една от спиралите, отделените нишки и тази нишка "нахлуват" в структурата на двойната спирала, образувайки структурата, наречена верига D.

Веригата на D-веригата е изместена от инвазията на нишката, която представя разкъсването и двойките с комплементарната верига на оригиналната двойна спирала.

Образуване на холидей синдикати

Следващата стъпка е формирането на кръстовища на Холидей. Тук краищата на обменяните нишки са свързани. Този съюз има способността да се движи във всяка посока. Съюзът може да бъде счупен и образуван многократно.

Окончателният процес на рекомбинация е разрешаването на тези кръстовища и има два начина или начини, по които я постига. Едно от тях е разцепването на съюза или процес, наречен разтваряне, типично за еукариотните организми.

В първия механизъм разрушаването на обединението на Холидей регенерира две вериги. В другия случай на "разпадане" възниква един вид колапс в съюза.

Включени протеини

Важен белтък от процеса на рекомбинация се нарича Rad51 в еукариотни клетки и RecA в Escherichia coli. Той работи в различните фази на рекомбинация: преди, по време и след синапса.

Протеинът Rad51 улеснява образуването на физическа връзка между нахлуващата ДНК и закалената ДНК. В този процес се генерира хетеродуплексната ДНК.

Rad51 и неговият хомолог RecA катализират търсенето на хомоложна ДНК и обмена на ДНК вериги. Тези протеини имат способността да се присъединяват съвместно към една лента ДНК.

Съществуват също и паралогични гени (произхождащи от събития на генно дублиране в поредица от организми) на Rad51, наречени Rad55 и Rad57. При хората са идентифицирани пет Rad51 паралог гени, наречени Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 и Xrcc3..

Аномалии, свързани с процесите на рекомбинация

Тъй като рекомбинацията изисква физическо свързване в хромозомите, това е решаваща стъпка в правилната сегрегация по време на мейозата. Ако не настъпи адекватна рекомбинация, резултатът може да бъде значителна патология.

Неразпределението на хромозомите или грешките в сегрегацията е една от най-честите причини за аборти и аномалии на хромозомния произход, като тризомията на хромозома 21, която причинява синдрома на Даун..

Въпреки че рекомбинацията обикновено е доста прецизен процес, регионите на генома, които се повтарят и гените, които имат множество копия по генома са елементи, склонни към неравномерно преминаване.

Това кръстосване води до различни клинични характеристики, включително чести болести като таласемия и аутизъм..

Приложения на рекомбинация

Молекулярните биолози са се възползвали от познаването на механизма на хомоложна рекомбинация за създаването на различни технологии. Едно от тях позволява създаването на организми "нокаут".

Тези генетично модифицирани организми позволяват да се изясни функцията на гена, който представлява интерес.

Една от методологиите, използвани за създаването на нокаути той се състои в потискане на експресията на специфичния ген, заместващ оригиналния ген с модифицирана или "повредена" версия. Генът се обменя за мутираната версия чрез хомоложна рекомбинация.

Други видове рекомбинация

В допълнение към хомоложната или законната рекомбинация, съществуват и други видове обмен на генетичен материал.

Когато регионите на ДНК, които обменят материала, са не алелни (от хомоложни хромозоми), резултатът е дублиране или редукция на гените. Този процес е известен като нехомоложна рекомбинация или неравномерна рекомбинация.

Заедно генетичният материал може да се обменя и между сестринските хроматими от същата хромозома. Този процес се проявява както в мейотичното, така и в митотичното разделение и се нарича неравноправен обмен.

препратки

1. Baker, T.A., Watson, J.D., & Bell, S.P. (2003). Молекулярна биология на гена. Издателска компания Бенджамин-Къмингс.
2. Девлин, Т. М. (2004). Биохимия: учебник с клинични приложения. Обърнах се обратно.
3. Jasin, M., & Rothstein, R. (2013). Поправка на скъсвания на нишки чрез хомоложна рекомбинация. Перспективите на Cold Spring Harbor в биологията, 5(11), a012740.
4. Li, X., & Heyer, W. D. (2008). Хомоложна рекомбинация в репарация на ДНК и толерантност към увреждане на ДНК. Клетъчни изследвания, 18(1), 99-113.
5. Мъри, П.Р., Розентал, К. С., и Пфалър, М.А. (2017). Медицинска микробиология. Elsevier Health Sciences.
6. Nussbaum, R. L., McInnes, R. R., & Willard, H. F. (2015). Thompson & Thompson генетика в медицината електронна книга. Elsevier Health Sciences.
7. Virgili, R. O., & Taboada, J. M. V. (2006). Човешки геном: нови постижения в изследванията, диагностиката и лечението. Edicions Universitat Барселона.