Geneettiset rekombinaatiotyypit ja -mekanismit

geneettinen rekombinaatio on prosessi, jossa nukleiinihappomolekyylit vaihtavat fragmentteja, jotka tuottavat uuden molekyylin. Se on hyvin yleistä DNA: ssa, mutta RNA on myös rekombinaation substraatti. Rekombinaatio on mutaation jälkeen tärkein geneettisen vaihtelun synnyn lähde.

DNA osallistuu erilaisiin biokemiallisiin prosesseihin. Replikoinnin aikana se toimii mallina kahden uuden DNA-molekyylin muodostamiseksi. Transkriptiossa se sallii RNA-molekyylien tuottamisen spesifisiltä alueilta, joita ohjaa promoottori.

Tämän lisäksi DNA pystyy myös vaihtamaan fragmentteja. Tämän prosessin kautta syntyy uusia yhdistelmiä, jotka eivät ole kahden edellisen prosessin, eikä hedelmöityksen tulos.

Mikä tahansa rekombinaatioprosessi sisältää prosessiin osallistuvien DNA-molekyylien rikkoutumisen ja sitoutumisen. Tämä mekanismi vaihtelee riippuen siitä, mikä on rekombinaation substraatti, prosessiin osallistuvat entsyymit ja sen toteutusmekanismi.

Rekombinaatio riippuu yleensä komplementaaristen alueiden olemassaolosta, jotka ovat samankaltaisia ​​(jos ne eivät ole identtisiä) tai homologisia rekombi- noituvien molekyylien välillä. Siinä tapauksessa, että ne yhdistävät molekyylejä prosesseissa, joita ei ohjaa homologia, sanotaan, että rekombinaatio ei ole homologinen.

Jos homologiaan liittyy hyvin lyhyt alue molemmissa molekyyleissä, sanotaan, että rekombinaatio on kohdespesifinen.

indeksi

• 1 Määritelmä
  • 1.1 Kiasmi ja ristisilloitus
• 2 Geneettisen rekombinaation tyypit
  • 2.1. Sivustokohtainen rekombinaatio
  • 2.2-Homologinen rekombinaatio
  • 2.3 - Ei-homologinen rekombinaatio
• 3 Rekombinaation merkitys
  • 3.1 Merkitys syynä: DNA: n replikaatio ja korjaus
  • 3.2 Tärkeys sen seurauksena: geneettisen vaihtelun syntyminen
  • 3.3 Rekombinaatio ja terveys
• 4 Viitteet

määritelmä

Se, mitä kutsumme homologiseksi rekombinaatiossa, ei välttämättä viittaa osallistuvien molekyylien evoluutioon. Puhumme enemmän nukleotidisekvenssin samankaltaisuudesta.

Eukaryooteissa esiintyy esimerkiksi ei-reparatiivista rekombinaatiota meioosiprosessin aikana. Epäilemättä ei ole suurempaa homologiaa kuin saman solun kromosomiparien välillä.

Siksi niitä kutsutaan homologisiksi kromosomeiksi. On kuitenkin tapauksia, joissa solun DNA vaihtaa materiaalia vieraan DNA: n kanssa. Näiden DNA: iden on oltava hyvin samankaltaisia ​​yhdistettäessä, mutta niiden ei välttämättä tarvitse jakaa samaa esi-isää (homologiaa) sen saavuttamiseksi.

Chiasmi ja ristisilloitus

Yhdistymispaikkaa ja kahden DNA-molekyylin välistä vaihtoa kutsutaan chiasmiksi, ja prosessi sinänsä silloittuu. Risteytyksen aikana tarkistetaan bändien vaihtoa osallistuvien DNA: iden välillä.

Tämä synnyttää kointegraatin, joka on kaksi DNA-molekyyliä, jotka on fyysisesti yhdistetty yhteen. Kun cointegrate on "ratkaistu", muodostetaan kaksi molekyyliä, jotka yleensä muutetaan (rekombinantti).

"Ratkaise" on rekombinaation yhteydessä erottaa DNA: n molekyyleistä koostuvat komponentit.

Geneettisen rekombinaation tyypit

-Sivustokohtainen rekombinaatio

Paikkaspesifisessä rekombinaatiossa kahdella DNA-molekyylillä, jotka ovat yleensä homologisia, on lyhyt sekvenssi, joka on yhteinen molemmille. Tämä sekvenssi kohdistuu spesifiseen splicingentsyymiin.

Entsyymi, joka kykenee tunnistamaan tämän sekvenssin eikä toisen, leikkaa sen molemmissa molekyyleissä tietyssä kohdassa. Joidenkin muiden tekijöiden avulla se vaihtaa kahden osallistuvan molekyylin DNA-kaistat ja muodostaa kointegraatin.

Escherichia coli ja lambda

Tämä on perusta bakteerin genomin välisen cointegrate muodostumiselle Escherichia coli ja bakteriofaagin lambda. Bakteriofagi on virus, joka tarttuu bakteereihin.

Tämän kointegrate muodostuu entsyymillä, joka on koodattu viruksen genomiin: lambda-integraasiin. Tämä tunnistaa yhteisen kutsun attP - viruksen ympyrän genomissa ja attB bakteerissa.

Leikkaamalla molemmat sekvenssit molemmissa molekyyleissä se tuottaa vapaita segmenttejä, vaihtaa kaistoja ja yhdistää nämä kaksi genomia. Suurempi ympyrä muodostuu tai yhdistetään.

Kointegroiduissa bakteerigenoomissa viruksen virus siirtyy passiivisesti, jonka kanssa se replikoituu. Tässä tilassa sanotaan, että virus on proviruksen tilassa ja että bakteeri on lysogeeninen samalle.

Käänteinen prosessi, ts. Yhdennetty resoluutio, voi kestää useita sukupolvia - tai edes sitä ei tapahdu. Jos se kuitenkin tehdään, se välittyy entsymaattisesti toisesta proteiinista, jota koodaa virusgenomi, nimeltään excisionasa. Kun tämä tapahtuu, virus erottuu kointegraatista, aktivoituu uudelleen ja aiheuttaa solujen hajoamisen.

-Homologinen rekombinaatio

Yleinen rekombinaatio

Homologinen rekombinaatio varmistetaan DNA-molekyylien välillä, joilla on vähintään 40 nukleotidia, joilla on täydellinen tai lähes täydellinen samankaltaisuus. Rekombinaatioprosessin suorittamiseksi täytyy osallistua ainakin yksi endonukleaasi.

Endonukleaasit ovat entsyymejä, jotka tuottavat DNA: n sisäisiä leikkauksia. Jotkut tekevät sen DNA: n hajottamiseksi. Toiset, kuten rekombinaation tapauksessa, tekevät niin, että syntyy dentti DNA: ssa.

Tämän ainutlaatuisen nickin avulla voit käsitellä yhden DNA-nauhan vapaalla päästä. Tämä vapaa pää, jota ohjaa rekombinaasi, sallii yhden bändin tunkeutua kaksois-DNA: han siirtämällä sen kanssa samanlaisen taajuusalueen..

Tämä on kohta, jossa ylitetään, luovuttajan DNA-molekyylin ("hyökkääjä") ja toisen vastaanottajan välillä.

Entsyymi (rekombinaasi), joka suorittaa hyökkäysten ja kaistojen vaihdon prosessin Escherichia coli sitä kutsutaan RecA: ksi. Prokaryooteissa on muitakin homologisia proteiineja, kuten esimerkiksi RadA: ta arkkitehtuurissa. Eukaryooteissa vastaavaa entsyymiä kutsutaan RAD51: ksi.

Kun hyökkäävä jengi syrjäyttää asukkaan, se on vuorovaikutuksessa bändin kanssa, joka säilyi yksinkertaisena luovuttaja molekyylissä. Molemmat pisteet suljetaan ligaasin vaikutuksella.

Meillä on nyt DNA: ta hybridikaistoista (luovuttajanauha ja reseptorikaista, eri alkuperää), joiden vieressä on luovuttaja-DNA ja vastaanottaja-DNA. Risteyspisteet (chiasmas) liikkuvat molempiin suuntiin vähintään 200 bp.

Kukin ristikytkentäkohta muodostaa Holliday-rakenteen (rekombinaatiotapahtuman tuloksena syntynyt ristimäinen DNA).

Tämä ristikkäinen DNA on erotettava muilla endonukleaaseilla. Tämän rakenteen hybridi- tai kimeerinen DNA voidaan ratkaista kahdella tavalla. Jos toinen endonukleotidileikkaus tapahtuu samassa kaistassa, jossa ensimmäinen tapahtui, rekombinaatiota ei synny. Jos toinen leikkaus tapahtuu toisessa kaistassa, tuloksena olevat tuotteet ovat rekombinantteja.

Rekombinaatio V (D) J

Tämä on eräänlainen somaattinen rekombinaatio (ei meiotinen), joka edistää immuunijärjestelmän vasta-aineiden valtavaa vaihtelua..

Tämä rekombinaatio varmistetaan erityisesti niiden geenien fragmenteissa, jotka koodittavat niitä määrittäviä polypeptidiketjuja. Se suoritetaan B-soluilla ja siihen liittyy erilaisia ​​geneettisiä alueita.

Mielenkiintoista on, että on olemassa loisia Trypanosoma brucei joka käyttää samanlaista rekombinaatiomekanismia pinnan antigeenin vaihtelun aikaansaamiseksi. Tällä tavoin ne voivat välttää isännän vasteen, jos se ei pysty tuottamaan vasta-ainetta, joka kykenee tunnistamaan "uuden" antigeenin..

-Ei-homologinen rekombinaatio

Lopuksi on olemassa rekombinaatioprosesseja, jotka eivät riipu osallistuvien molekyylien sekvenssin samankaltaisuudesta. Eukaryooteissa on hyvin tärkeää esimerkiksi ei-homologisten päiden rekombinaatio.

Tämä tapahtuu DNA-fragmenttien kanssa, joissa on kaksoisnauhat DNA: ssa. Nämä korjaavat solun, joka yhdistää ne muihin fragmentteihin tasaisesti kaksoisnauhojen rikkoutuessa.

Näiden molekyylien ei kuitenkaan välttämättä tarvitse olla samanlaisia ​​osallistumaan tähän rekombinaatioprosessiin. Toisin sanoen, korjaamalla vauriot, solu voi sitoa etuyhteydettömiä DNA: ita luomalla todella uuden (rekombinanttisen) molekyylin. 

Rekombinaation merkitys

Tärkeys syynä: DNA: n replikaatio ja korjaus

Rekombinaatio takaa DNA-informaation uskottavuuden replikointiprosessin aikana ja sen jälkeen. Rekombinaatio havaitsee DNA-vaurioita uusien kaistojen luomisen aikana tässä erittäin pitkässä makromolekyylissä.

Koska jokaisella bändillä on omat tiedot ja sen täydennys, rekombinaatio takaa, että mikään ei menetä. Jokainen toimii todistajana toiselle. Samoin diploidisissa organismeissa homologinen kromosomi on todistaja veljelleen ja päinvastoin.

Toisaalta, kun DNA on replikoitu, tämän molekyylin vaurioitumismekanismit vaihtelevat. Jotkut ovat suoria (vaikuttavat suoraan vahinkoon) ja toiset ovat välillisiä.

Epäsuorat korjausmekanismit riippuvat suoritettavasta rekombinaatiosta. Toisin sanoen vahingon korjaamiseksi yhdessä DNA-molekyylissä käytetään toista homologista molekyyliä. Tämä toimisi reparatiivisessa rekombinaatiossa muottiin, joka on kärsinyt vahinkoa.

Merkitys seurauksena: geneettisen vaihtelevuuden syntyminen

Rekombinaatio kykenee aikaansaamaan valtavan kromosomaalisen vaihtelun meioosin aikana. Somaattinen rekombinaatio synnyttää myös vaihtelua, kuten vasta-aineiden tapauksessa selkärankaisilla.

Monissa organismeissa meioosi on gametica. Elimistöissä, joissa on seksuaalista lisääntymistä, rekombinaatio osoittautuu yhdeksi tehokkaimmista tavoista tuottaa vaihtelua.

Toisin sanoen spontaaniin mutaatioon ja kromosomien erottumiseen on välttämätöntä lisätä rekombinaatio toisen generaattorielementtinä, joka on gameettinen vaihtelu.

Bakteriofaggenomien integroiminen paikkaspesifiseen rekombinaatioon toisaalta on edesauttanut isäntäbakteeriensa genomien uudelleenmuotoilua.

Tämä on myötävaikuttanut tämän tärkeän elävien olentojen genomisen vaihtelun ja evoluution syntymiseen.

Rekombinaatio ja terveys

Olemme jo nähneet, että DNA voidaan korjata, mutta ei se, mikä vahingoittaa sitä. Itse asiassa melkein kaikki voi vahingoittaa DNA: ta, alkaen virheellisestä kopioinnista, jota ei korjata.

Sen lisäksi, että UV-valo, ionisoiva säteily, vapaan hapen radikaalit, solujen hengityksen tuote, ja mitä syömme, tupakoimme, hengitämme, syömme tai kosketamme, voi vaurioitua DNA: sta.

Onneksi sinun ei tarvitse luopua elämästä DNA: n suojaamiseksi. On luovuttava tietyistä asioista, mutta solu tekee suuren työn. Näillä DNA: n vaurioitumisen ja sen korjaamisen mekanismeilla on ilmeisesti geneettinen perusta ja sen puute, valtavat seuraukset.

Homologisen rekombinaation puutteisiin liittyvät sairaudet käsittävät esimerkiksi Bloomin ja Wernerin oireyhtymät, rinta- ja munasarjasyövän jne..

viittaukset

1. Alberts, B., Johnson, A.D., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6. painos). W. W. Norton & Company, New York, NY, USA.
2. Bell, J.C., Kowalczykowski, S.C. (2016) Mekaniikka ja yhden molekyylin kysely DNA-rekombinaatiosta. Biokemian vuosikatsaus, 85: 193-226.
3. Prado, F. () Homologinen rekombinaatio: Haarukka ja sen jälkeen. Geenit, doi: 10,3390 / genes9120603
4. Griffiths, A.J.F., Wessler, R., Carroll, S.B., Doebley, J. (2015). Johdatus geneettiseen analyysiin (11. painos). New York: W. H. Freeman, New York, NY, USA.
5. Tock, A.J., Henderson, I.R. (2018) Hotspotit Meiotic Recombinationin aloittamiseksi. Geneettiset rajat, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) A Prophages in Salmonella enterica: liikkeellepaneva voima niiden bakteriaalisen isännän genomin ja fysiologian muokkaamisessa? Molekyylimikrobiologia, doi: 10,111 / mmi.14167.
7. Wright, W. D., Shah, S., Heyer, W. D. (2018) Homologinen rekombinaatio ja DNA-korjaus kaksisäikeiset katkokset. Journal of Biological Chemistry, 293: 10524-10535