REKOMBINACJA HOMOLOGICZNA: FUNKCJE, MECHANIZM I ZASTOSOWANIA - BIOLOGIA - 2025

Homologicznej rekombinacji jest procesem, który wymaga wymiany cząsteczek DNA między podobnymi lub identycznymi odcinków genomu. Komórki wykorzystują rekombinację homologiczną głównie do naprawy pęknięć w materiale genetycznym, generując zmienność genetyczną w populacjach.

Ogólnie rzecz biorąc, rekombinacja homologiczna obejmuje fizyczne parowanie między homologicznymi obszarami materiału genetycznego, po którym następuje zerwanie łańcuchów, które mają podlegać wymianie, a na końcu połączenie nowych połączonych cząsteczek DNA.

Rekombinacja między dwoma homologicznymi chromosomami.
Źródło: Emw

Przerwy w DNA muszą być naprawiane tak szybko i skutecznie, jak to możliwe. Gdy uszkodzenie nie zostanie naprawione, konsekwencje mogą być poważne, a nawet śmiertelne. U bakterii główną funkcją rekombinacji homologicznej jest naprawa pęknięć w materiale genetycznym.

Rekombinacja homologiczna jest uważana za jeden z głównych mechanizmów umożliwiających stabilność genomu. Występuje we wszystkich dziedzinach życia, a nawet w wirusach, więc przypuszczalnie jest kluczowym mechanizmem, który pojawił się na bardzo wczesnym etapie ewolucji życia.

Perspektywa historyczna

Jedna z najważniejszych zasad zaproponowanych przez Gregora Mendla polega na niezależności w segregacji postaci. Zgodnie z tym prawem różne geny są przekazywane z rodzica na dziecko niezależnie.

Jednak w 1900 roku oczywiste było istnienie bardzo wyraźnych wyjątków od tej zasady. Angielscy genetycy Bateson i Punnett wykazali, że wiele razy pewne cechy są dziedziczone razem, a dla tych cech nie obowiązuje zasada sformułowana przez Mendla.

W kolejnych badaniach udało się wyjaśnić istnienie procesu rekombinacji, w którym komórki były zdolne do wymiany materiału genetycznego. W przypadkach, gdy geny odziedziczyły razem, DNA nie zostało wymienione ze względu na fizyczną bliskość między genami.

Co to jest rekombinacja homologiczna?

Homologiczna rekombinacja to zjawisko komórkowe, które obejmuje fizyczną wymianę sekwencji DNA między dwoma chromosomami. Rekombinacja obejmuje zestaw genów zwanych genami rec. Te kody dla różnych enzymów biorących udział w procesie.

Cząsteczki DNA są uważane za „homologiczne”, jeśli mają podobne lub identyczne sekwencje o długości ponad 100 par zasad. DNA ma małe regiony, które mogą się od siebie różnić, a te warianty są znane jako allele.

W organizmach żywych całe DNA jest uważane za rekombinowane. Wymiana materiału genetycznego między chromosomami zachodzi w sposób ciągły, mieszając i rearanżując geny na chromosomach.

Ten proces występuje oczywiście w mejozie. Szczególnie w fazie, w której chromosomy łączą się w pary podczas pierwszego podziału komórkowego. Na tym etapie następuje wymiana materiału genetycznego między chromosomami.

Historycznie rzecz biorąc, proces ten jest określany w literaturze za pomocą anglosaskiego skrzyżowania słów. To zdarzenie jest jednym z wyników rekombinacji homologicznej.

Częstotliwość krzyżowania się między dwoma genami tego samego chromosomu zależy głównie od odległości, jaka istnieje między nimi; im mniejsza fizyczna odległość między nimi, tym niższa częstotliwość wymiany.

Funkcje i konsekwencje rekombinacji homologicznej

Materiał genetyczny jest stale narażony na uszkodzenia spowodowane przez źródła endogenne i egzogenne, takie jak np. Promieniowanie.

Szacuje się, że ludzkie komórki mają znaczną liczbę uszkodzeń DNA, rzędu od dziesiątek do setek dziennie. Uszkodzenia te muszą zostać naprawione, aby uniknąć potencjalnych szkodliwych mutacji, blokad replikacji i transkrypcji oraz uszkodzeń na poziomie chromosomów.

Z medycznego punktu widzenia uszkodzenie DNA, które nie jest naprawiane prawidłowo, prowadzi do rozwoju nowotworów i innych patologii.

Rekombinacja homologiczna to zdarzenie, które umożliwia naprawę DNA, umożliwiając odzyskanie utraconych sekwencji przy użyciu innej (homologicznej) nici DNA jako matrycy.

Ten proces metaboliczny jest obecny we wszystkich formach życia, zapewniając mechanizm o wysokiej wierności, który umożliwia naprawę „luk” w DNA, pęknięć dwuniciowych i wiązań krzyżowych między niciami DNA.

Jedną z najważniejszych konsekwencji rekombinacji jest wytworzenie nowej zmienności genetycznej. Wraz z mutacjami są to dwa procesy, które generują zmienność w organizmach żywych - pamiętaj, że zmienność jest surowcem do ewolucji.

Ponadto zapewnia mechanizm resetowania rozwidleń replikacji, które zostały uszkodzone.

W bakteriach

U bakterii często występują poziome zdarzenia przenoszenia genów. Są one klasyfikowane jako koniugacja, transformacja i transdukcja. Tutaj prokarionty pobierają DNA z innego organizmu, a nawet z różnych gatunków.

Podczas tych procesów zachodzi rekombinacja homologiczna między komórką biorcą a komórką dawcy.

Mechanizm

Rekombinacja homologiczna rozpoczyna się od zerwania jednej z nici cząsteczki chromosomalnego DNA. Następnie następuje seria etapów katalizowanych przez wiele enzymów.

Koniec 3 ', w którym następuje cięcie, jest zajęty przez homologiczną podwójną nić DNA. Proces inwazji jest kluczowy. Przez „łańcuch homologiczny” rozumiemy fragmenty chromosomów, które mają te same geny w kolejności liniowej, chociaż sekwencje nukleotydów nie muszą być identyczne.

Synapsa

Ta inwazja nici umieszcza homologiczne chromosomy naprzeciw siebie. To zjawisko spotykania się wątków nazywa się synapsą (nie mylić z synapsą w neuronach, tutaj termin ten jest używany z innym znaczeniem).

Synapsa niekoniecznie oznacza bezpośredni kontakt między obiema sekwencjami homologicznymi, DNA może nadal poruszać się przez chwilę, aż znajdzie część homologiczną. Ten proces wyszukiwania nazywa się dopasowaniem homologicznym.

Tworzenie pętli D.

Następnie następuje zdarzenie zwane „inwazją pasm”. Chromosom to podwójna helisa DNA. W rekombinacji homologicznej dwa chromosomy szukają swoich homologicznych sekwencji. W jednej z helis nici rozdzielają się i ta nić „atakuje” strukturę podwójnej helisy, tworząc strukturę zwaną pętlą D.

Nić pętli D została wyparta przez inwazję zrywającego się pasma i par z komplementarnym pasmem pierwotnej podwójnej helisy.

Formacja węzła Holliday

Następnym krokiem jest utworzenie związków holenderskich. Tutaj końce wymienianych pasm są ze sobą związane. Ten związek ma zdolność poruszania się w dowolnym kierunku. Połączenie może pękać i tworzyć się wielokrotnie.

Ostatnim procesem rekombinacji jest rozwiązanie tych połączeń i komórka to osiąga na dwa sposoby. Jedną z nich jest rozszczepienie zrostu lub proces zwany rozpuszczaniem, typowy dla organizmów eukariotycznych.

W pierwszym mechanizmie zerwanie skrzyżowania Hollidayów regeneruje dwa łańcuchy. W drugim przypadku „rozpadu” związku następuje pewnego rodzaju upadek.

Zaangażowane białka

Kluczowe białko w procesie rekombinacji nazywa się Rad51 w komórkach eukariotycznych i RecA w Escherichia coli. Działa w różnych fazach rekombinacji: przed, w trakcie i po synapsie.

Białko Rad51 ułatwia tworzenie fizycznego połączenia między atakującym DNA a hartowanym DNA. W tym procesie powstaje heterodupleks DNA.

Rad51 i jego odpowiednik RecA katalizują poszukiwanie homologicznego DNA i wymianę nici DNA. Białka te mają zdolność wspólnego wiązania się z jednopasmowym DNA.

Istnieją również geny paralogów (pochodzące ze zdarzeń duplikacji genów w linii organizmów) Rad51, zwane Rad55 i Rad57. U ludzi zidentyfikowano pięć genów paralogu Rad51 o nazwach Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 i Xrcc3.

Anomalie związane z procesami rekombinacji

Ponieważ rekombinacja wymaga fizycznego wiązania na chromosomach, jest to kluczowy krok w prawidłowej segregacji podczas mejozy. Jeśli nie nastąpi właściwa rekombinacja, wynikiem może być poważna patologia.

Nierozłączność chromosomów lub błędy w segregacji są jedną z najczęstszych przyczyn aborcji i anomalii pochodzenia chromosomowego, takich jak trisomia chromosomu 21, która powoduje zespół Downa.

Chociaż rekombinacja jest zwykle dość precyzyjnym procesem, powtarzające się regiony genomu i geny, które mają wiele kopii w całym genomie, są podatne na nierównomierne krzyżowanie.

To krzyżowanie daje różne klinicznie istotne cechy, w tym powszechne choroby, takie jak talasemia i autyzm.

Aplikacje rekombinacyjne

Biolodzy molekularni wykorzystali wiedzę o mechanizmie rekombinacji homologicznej do stworzenia różnych technologii. Jeden z nich pozwala na tworzenie organizmów typu „knockout”.

Te organizmy zmodyfikowane genetycznie umożliwiają wyjaśnienie funkcji interesującego genu.

Jedna z metodologii wykorzystywanych do tworzenia knockoutów polega na stłumieniu ekspresji określonego genu poprzez zastąpienie oryginalnego genu wersją zmodyfikowaną lub „uszkodzoną”. Gen jest wymieniany na zmutowaną wersję za pomocą rekombinacji homologicznej.

Inne rodzaje rekombinacji

Oprócz homologicznej lub legalnej rekombinacji istnieją inne rodzaje wymiany materiału genetycznego.

Kiedy regiony DNA, które wymieniają materiał, nie są alleliczne (homologiczne chromosomy), wynikiem jest duplikacja lub redukcja genów. Ten proces jest znany jako rekombinacja niehomologiczna lub rekombinacja nierówna.

Razem materiał genetyczny można również wymieniać między chromatydami siostrzanymi na tym samym chromosomie. Proces ten zachodzi zarówno w podziale mejotycznym, jak i mitotycznym i nazywany jest nierówną wymianą.

Bibliografia

1. Baker, TA, Watson, JD i Bell, SP (2003). Biologia molekularna genu. Wydawnictwo Benjamin-Cummings.
2. Devlin, TM (2004). Biochemia: podręcznik o zastosowaniach klinicznych. Odwróciłem się.
3. Jasin, M. i Rothstein, R. (2013). Naprawa pęknięć nici przez rekombinację homologiczną. Perspektywy Cold Spring Harbor w biologii, 5 (11), a012740.
4. Li, X. i Heyer, WD (2008). Homologiczna rekombinacja w naprawie DNA i tolerancji na uszkodzenia DNA. Badania komórek, 18 (1), 99-113.
5. Murray, PR, Rosenthal, KS i Pfaller, MA (2017). Mikrobiologia medyczna. Elsevier Health Sciences.
6. Nussbaum, RL, McInnes, RR i Willard, HF (2015). Thompson & Thompson genetyka w medycynie e-book. Elsevier Health Sciences.
7. Virgili, RO i Taboada, JMV (2006). Genom ludzki: nowe postępy w badaniach, diagnostyce i leczeniu. Wydania Universitat Barcelona.