REKOMBINACJA GENETYCZNA: RODZAJE I MECHANIZMY - BIOLOGIA - 2025

Rekombinacja genetyczna jest procesem, w którym cząsteczki fragmentów kwasów nukleinowych wymieniane generując nowe cząsteczki. Występuje bardzo często w DNA, ale RNA jest również substratem do rekombinacji. Rekombinacja jest, po mutacji, najważniejszym źródłem generowania zmienności genetycznej.

DNA uczestniczy w różnych procesach biochemicznych. Podczas replikacji służy jako szablon do generowania dwóch nowych cząsteczek DNA. W transkrypcji umożliwia generowanie cząsteczek RNA z określonych regionów kontrolowanych przez promotor.

Ogólne kroki rekombinacji DNA. Juergen Bode, za Wikimedia Commons

Ale oprócz tego DNA jest również zdolne do wymiany fragmentów. Poprzez ten proces generuje nowe kombinacje, które nie są produktem dwóch poprzednich procesów ani zapłodnienia.

Cały proces rekombinacji polega na rozerwaniu i połączeniu cząsteczek DNA, które uczestniczą w tym procesie. Mechanizm ten różni się w zależności od substratu rekombinacji, enzymów uczestniczących w procesie oraz mechanizmu jego wykonywania.

Rekombinacja zasadniczo zależy od istnienia komplementarnych, podobnych (jeśli nie identycznych) lub homologicznych regionów między rekombinowanymi cząsteczkami. W przypadku, gdy cząsteczki rekombinują w procesach nie kierujących się homologią, mówi się, że rekombinacja jest niehomologiczna.

Jeśli homologia obejmuje bardzo krótki region obecny w obu cząsteczkach, mówi się, że rekombinacja jest specyficzna dla miejsca.

Definicja

To, co nazywamy homologią w rekombinacji, niekoniecznie odnosi się do ewolucyjnego pochodzenia uczestniczących cząsteczek. Mówimy raczej o stopniu podobieństwa w sekwencji nukleotydów.

Na przykład rekombinacja niereparatywna zachodzi u eukariontów podczas procesu mejozy. Niewątpliwie nie może być większej homologii niż między parami chromosomów w tej samej komórce.

Dlatego nazywa się je chromosomami homologicznymi. Istnieją jednak przypadki, w których DNA komórki wymienia materiał z obcym DNA. Te DNA muszą być bardzo podobne do rekombinacji, ale niekoniecznie muszą mieć tego samego przodka (homologię), aby to osiągnąć.

Chiasm i crossover

Miejsce przyłączenia i wymiany między dwiema cząsteczkami DNA nazywane jest chiazmą, a sam proces nazywa się sieciowaniem. Podczas krzyżowania weryfikowana jest wymiana prążków między uczestniczącymi DNA.

Powoduje to powstanie kointegratu, czyli dwóch cząsteczek DNA fizycznie połączonych w jedną. Kiedy kointegra- tacja „rozpada się”, powstają dwie cząsteczki, generalnie zmienione (rekombinowane).

„Rozwiązanie”, w kontekście rekombinacji, jest oddzieleniem cząsteczek składowych DNA z kointegratu.

Rodzaje rekombinacji genetycznej

-Rekombinacja specyficzna dla miejsca

W rekombinacji specyficznej dla miejsca dwie cząsteczki DNA, na ogół niehomologiczne, mają krótką sekwencję wspólną dla obu. Ta sekwencja jest celem określonego enzymu splicingowego.

Enzym, zdolny do rozpoznania tej, a nie innej sekwencji, tnie ją w określonym miejscu w obu cząsteczkach. Z pomocą kilku innych czynników zamienia prążki DNA dwóch uczestniczących cząsteczek i tworzy kointegrat.

Escherichia coli

Stanowi to podstawę do powstania kointegratu między genomem bakterii Escherichia coli i bakteriofaga lambda. Bakteriofag to wirus infekujący bakterie.

Tworzenie tego kointegratu jest przeprowadzane przez enzym kodowany w genomie wirusa: integrazę lambda. Rozpoznaje wspólną sekwencję zwaną attP w kolistym genomie wirusa i attB w genomie bakterii.

Przecinając obie sekwencje w obu cząsteczkach, generuje wolne segmenty, zamienia prążki i łączy dwa genomy. Powstaje wtedy większy lub skointegrowany okrąg.

Podczas kointegracji genom wirusa jest biernie przenoszony przez genom bakteryjny, z którym się replikuje. W tym stanie mówi się, że wirus jest w stanie prowirusa, a bakteria jest dla niego lizogenna.

Proces odwrotny, czyli rozkład kointegratu, może zająć wiele pokoleń lub nawet nie zajść. Jednak w ten sposób enzymatycznie pośredniczy inne białko kodowane przez genom wirusa, zwane wycięciem. W takim przypadku wirus oddziela się od kointegracji, reaktywuje i powoduje lizę komórek.

-Homologiczna rekombinacja

Uogólniona rekombinacja

Homologiczna rekombinacja zachodzi między cząsteczkami DNA, które mają co najmniej około 40 nukleotydów o całkowitym lub prawie całkowitym podobieństwie. Aby przeprowadzić proces rekombinacji, musi być zaangażowana co najmniej jedna endonukleaza.

Endonukleazy to enzymy, które dokonują wewnętrznych nacięć w DNA. Niektórzy robią to, aby przystąpić do degradacji DNA. Inni, jak w przypadku rekombinacji, robią to, aby wygenerować wgniecenie w DNA.

Ten unikalny nick pozwala na obróbkę pojedynczego pasma DNA z wolnym końcem. Ten wolny koniec, zorientowany przez rekombinazę, pozwala pojedynczemu prążkowi na zaatakowanie podwójnego DNA, zastępując identyczny prążek rezydujący.

Jest to punkt przecięcia się cząsteczki DNA dawcy („najeźdźcy”) z innym receptorem.

Enzym (rekombinaza), który przeprowadza inwazję i proces wymiany prążków u Escherichia coli, nazywa się RecA. Istnieją inne homologiczne białka u prokariotów, takie jak RadA u archeonów. U eukariotów równoważny enzym nazywa się RAD51.

Gdy inwazyjna opaska przemieszcza rezydenta, wchodzi w interakcję z prążkiem, który pozostał prosty w cząsteczce dawcy. Oba miejsca są uszczelnione przez działanie ligazy.

Teraz mamy hybrydowe prążki DNA (prążki dawcy i biorcy, pochodzące z różnych źródeł) otoczone przez DNA dawcy i DNA biorcy. Punkty przecięcia (chiasmata) poruszają się w obu kierunkach o co najmniej 200 pz.

Każdy punkt krzyżowania tworzy coś, co jest znane jako struktura Hollidaya (krzyżowy produkt DNA zdarzenia rekombinacji).

Ten krzyżowy DNA musi zostać rozszczepiony przez inne endonukleazy. Chimeryczny lub hybrydowy DNA o tej strukturze można rozdzielić na dwa sposoby. Jeśli drugie cięcie endonukleotydowe następuje w tym samym prążku co pierwsze, rekombinacja nie zachodzi. Jeśli drugie cięcie nastąpi w drugim prążku, otrzymane produkty są rekombinowane.

Rekombinowane DNA w strukturze Hollidaya. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Mao-4armjunction-schematic.png.

Rekombinacja V (D) J

Jest to rodzaj rekombinacji somatycznej (nie mejotycznej), która przyczynia się do powstania olbrzymiej zmienności przeciwciał układu odpornościowego.

Ta rekombinacja zachodzi w określonych fragmentach genów, które kodują łańcuchy polipeptydowe, które je definiują. Jest przeprowadzany przez komórki B i obejmuje różne regiony genetyczne.

Co ciekawe, istnieją pasożyty, takie jak Trypanosoma brucei, które wykorzystują podobny mechanizm rekombinacji do tworzenia zmienności antygenu powierzchniowego. W ten sposób mogą uniknąć odpowiedzi gospodarza, jeśli gospodarz nie wytworzy przeciwciała zdolnego do rozpoznawania „nowego” antygenu.

Różnorodność przeciwciał tworzonych przez rekombinację. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Cambio_clase_recombinacion.PNG

- Rekombinacja niehomologiczna

Wreszcie, istnieją procesy rekombinacji, które nie zależą od podobieństwa sekwencji uczestniczących cząsteczek. Na przykład u eukariontów bardzo ważna jest rekombinacja niehomologicznych końców.

Dzieje się tak w przypadku fragmentów DNA, które wykazują podwójne przerwy w DNA. Są one „naprawiane” przez komórkę łączącą je z innymi fragmentami również z przerwami dwupasmowymi.

Jednak te cząsteczki niekoniecznie muszą być podobne, aby uczestniczyć w tym procesie rekombinacji. Oznacza to, że naprawiając uszkodzenie, komórka może łączyć się z niepowiązanymi DNA, tworząc w ten sposób naprawdę nową (rekombinowaną) cząsteczkę.

Znaczenie rekombinacji

Znaczenie jako przyczyna: replikacja i naprawa DNA

Rekombinacja zapewnia wierność informacji DNA w trakcie i po procesie replikacji. Rekombinacja wykrywa uszkodzenia DNA podczas nowego procesu tworzenia pasm w tej niezwykle długiej makrocząsteczce.

Ponieważ każdy prążek ma swoje własne informacje i informacje uzupełniające, rekombinacja gwarantuje, że nic nie zostanie utracone. Każdy jest świadkiem drugiego. Podobnie, w organizmach diploidalnych chromosom homologiczny jest świadkiem swojego rodzeństwa i odwrotnie.

Z drugiej strony, po replikacji DNA mechanizmy naprawy uszkodzeń tej cząsteczki są zróżnicowane. Niektóre są bezpośrednie (szkoda jest bezpośrednio), a inne są pośrednie.

Mechanizmy naprawy pośredniej zależą od zachodzenia rekombinacji. Oznacza to, że w celu naprawy uszkodzeń w cząsteczce DNA stosuje się inną homologiczną cząsteczkę. To działałoby w rekombinacji naprawczej jako szablon, z którego doznał uszkodzenia.

Znaczenie w konsekwencji: generowanie zmienności genetycznej

Rekombinacja może powodować ogromną zmienność chromosomów podczas mejozy. Rekombinacja somatyczna również generuje zmienność, jak w przypadku przeciwciał u kręgowców.

W wielu organizmach mejoza jest gametyczna. W organizmach rozmnażających się płciowo rekombinacja okazuje się jednym z najpotężniejszych sposobów generowania zmienności.

Oznacza to, że do spontanicznej mutacji i segregacji chromosomów należy dodać rekombinację jako kolejny element generujący zmienność gamet.

Z drugiej strony, integracja genomów bakteriofagów poprzez rekombinację specyficzną dla miejsca przyczyniła się do przebudowy genomu ich bakterii-gospodarza.

Przyczyniło się to do powstania zmienności genomu i ewolucji tej ważnej grupy żywych istot.

Rekombinacja i zdrowie

Widzieliśmy już, że DNA można naprawić, ale nie wiemy, co je uszkadza. W rzeczywistości prawie wszystko może uszkodzić DNA, poczynając od wadliwej replikacji, która pozostaje nieskorygowana.

Ale poza tym DNA może zostać uszkodzone przez promieniowanie UV, promieniowanie jonizujące, wolne rodniki tlenowe wytwarzane przez oddychanie komórkowe oraz to, co jemy, palimy, oddychamy, połykamy lub dotykamy.

Na szczęście nie musisz rezygnować z życia, aby chronić DNA. Z pewnych rzeczy trzeba zrezygnować, ale wielką pracę wykonuje sama komórka. Te mechanizmy wykrywania uszkodzeń DNA i ich naprawy mają oczywiście podłoże genetyczne, a ich niedobór ma ogromne konsekwencje.

Choroby związane z wadami rekombinacji homologicznej obejmują na przykład zespoły Blooma i Wernera, rodzinny rak piersi i jajników itp.

Bibliografia

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6th Edition). WW Norton & Company, Nowy Jork, NY, USA.
2. Bell, JC, Kowalczykowski, SC (2016) Mechanics and single-molecular interrogation of DNA rekombinacji. Annual Review of Biochemistry, 85: 193–226.
3. Prado, F. () Homologous Recombination: To Fork and Beyond. Genes, doi: 10.3390 / genes9120603
4. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). Wprowadzenie do analizy genetycznej (wyd. 11). Nowy Jork: WH Freeman, Nowy Jork, NY, USA.
5. Tock, AJ, Henderson, IR (2018) Hotspots for Initiation of Meiotic Recombination. Frontiers in Genetics, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) A Prophages in Salmonella enterica: a drive in reshaping the genome and physiology of their bakteryjnego gospodarza? Molecular Microbiology, doi: 10.1111 / mmi.14167.
7. Wright, WD, Shah, SS, Heyer, WD (2018) Homologous rekombinacja i naprawa pęknięć dwuniciowego DNA. Journal of Biological Chemistry, 293: 10524-10535