Homologiset rekombinaatiotoiminnot, mekanismi ja sovellukset

homologinen rekombinaatio se on prosessi, johon liittyy DNA-molekyylien vaihto genomin samanlaisten tai samanlaisten osien välillä. Solut käyttävät homologista rekombinaatiota lähinnä geneettisen materiaalin taukojen korjaamiseen ja tuottavat geneettistä vaihtelua populaatioissa.

Yleensä homologinen rekombinaatio merkitsee geneettisen materiaalin homologisten vyöhykkeiden välistä fyysistä pariutumista, jota seuraa ketjujen rikkoutuminen, jotka vaihdetaan, ja lopuksi uusien DNA-molekyylien yhdistäminen yhteen.

DNA: n taukot on korjattava mahdollisimman nopeasti ja tehokkaasti. Kun vaurioita ei korjata, seuraukset voivat olla vakavia ja jopa tappavia. Bakteereissa homologisen rekombinaation pääasiallisena tehtävänä on korjata nämä geneettisen materiaalin katkokset.

Homologista rekombinaatiota pidetään yhtenä tärkeimmistä mekanismeista, jotka sallivat genomin vakauden. Se on läsnä kaikilla elämänalueilla ja jopa viruksilla, joten oletettavasti se on elintärkeä mekanismi, joka esiintyi hyvin varhaisessa vaiheessa elämän kehittymisessä.

indeksi

• 1 Historiallinen näkökulma
• 2 Mikä on homologinen rekombinaatio?
• 3 Homologisen rekombinaation toiminnot ja seuraukset
  • 3.1 Bakteereissa
• 4 Mekanismi
  • 4.1 Synapsiot
  • 4.2 D-silmukan koulutus
  • 4.3 Holliday-ammattiliittojen muodostaminen
  • 4.4 Proteiinit
• 5 Rekombinaatioprosesseihin liittyvät poikkeavuudet
• 6 Rekombinaation sovellukset
• 7 Muita rekombinaatiotyyppejä
• 8 Viitteet

Historiallinen näkökulma

Yksi Gregor Mendelin ehdottamista tärkeimmistä periaatteista on merkkien erottamisen riippumattomuus. Tämän lain mukaan eri geenit siirtyvät vanhemmilta lapsille itsenäisesti.

Kuitenkin vuonna 1900 oli hyvin merkittäviä poikkeuksia tästä periaatteesta. Englantilaiset geneettikot Bateson ja Punnett osoittivat, että monta kertaa tietyt merkit periytyvät yhdessä, ja näiden ominaisuuksien osalta Mendelin mainitsema periaate ei ole voimassa..

Myöhemmät tutkimukset onnistuivat selvittämään rekombinaatioprosessin olemassaolon, jossa solut pystyivät vaihtamaan geneettistä materiaalia. Tapauksissa, joissa geenit perivät yhdessä, DNA: ta ei vaihdettu geenien välisen fyysisen läheisyyden vuoksi.

Mikä on homologinen rekombinaatio?

Homologinen rekombinaatio on solun ilmiö, johon liittyy fysikaalinen DNA-sekvenssien vaihtaminen kahden kromosomin välillä. Rekombinaatioon liittyy joukko geenejä, joita kutsutaan geeneiksi rec. Nämä koodit eri prosessiin osallistuville entsyymeille.

DNA-molekyylejä pidetään "homologisina", kun niillä on samanlaiset tai identtiset sekvenssit, joissa on yli 100 emäsparia. DNA: ssa on pieniä alueita, jotka voivat erota toisistaan, ja nämä variantit tunnetaan alleeleina.

Elävissä oloissa kaikkia DNA: ta pidetään rekombinantti-DNA: na. Geneettisen materiaalin vaihto kromosomien välillä tapahtuu jatkuvasti, sekoittamalla ja järjestämällä uudelleen geenit kromosomeissa.

Tämä prosessi ilmenee ilmeisesti meiosisissa. Erityisesti vaiheessa, jossa kromosomit yhdistetään ensimmäisessä solunjaossa. Tässä vaiheessa geneettisen materiaalin vaihto kromosomien välillä tapahtuu.

Historiallisesti tämä prosessi on merkitty kirjallisuudessa käyttäen anglosaksista sanaa yli. Tämä tapahtuma on yksi homologisen rekombinaation tuloksista.

Taajuus yli kahden saman kromosomin geenin välillä riippuu pääasiassa näiden kahden välisestä etäisyydestä; mitä pienempi fyysinen etäisyys niiden välillä on, sitä pienempi vaihtotaajuus.

Homologisen rekombinaation toiminnot ja seuraukset

Geneettinen materiaali altistuu jatkuvasti endogeenisten ja eksogeenisten lähteiden, kuten säteilyn, aiheuttamille vaurioille.

On arvioitu, että ihmisen solut sisältävät merkittävän määrän leesioita DNA: ssa, noin kymmeniä satoja päivässä. Nämä vauriot on korjattava mahdollisten haitallisten mutaatioiden, replikaation tukkeutumisten ja transkription ja vaurioiden välttämiseksi kromosomitasolla.

Lääketieteellisestä näkökulmasta DNA-vauriot, joita ei korjata oikein, johtavat kasvainten ja muiden patologioiden kehittymiseen.

Homologinen rekombinaatio on tapahtuma, joka sallii korjauksen DNA: ssa ja mahdollistaa menetettyjen sekvenssien talteenoton käyttäen templaattina toista DNA-säiettä (homologinen).

Tämä aineenvaihduntaprosessi on läsnä kaikissa elämänmuodoissa, mikä tarjoaa korkean uskollisuuden mekanismin, joka mahdollistaa DNA: n "aukkojen" korjaamisen, kaksisäikeiset taukot ja DNA-ketjujen väliset yhteydet.

Yksi rekombinaation merkittävimmistä seurauksista on uuden geneettisen vaihtelun syntyminen. Yhdessä mutaatioiden kanssa ne ovat kahta prosessia, jotka tuottavat vaihtelua elävissä olennoissa - muista, että vaihtelu on evoluutioiden raaka-aine..

Lisäksi se tarjoaa mekanismin vaurioituneiden replikointihaarukoiden uudelleenkäynnistämiseksi.

Bakteereissa

Bakteereissa esiintyy usein horisontaalisia geenisiirtoja. Nämä luokitellaan konjugaatioon, transformaatioon ja transduktioon. Tässä prokaryootit ottavat DNA: ta toisesta organismista ja jopa eri lajeista.

Näiden prosessien aikana tapahtuu homologinen rekombinaatio vastaanottajasolun ja luovuttajasolun välillä.

mekanismi

Homologinen rekombinaatio alkaa rikkomisesta yhdessä kromosomaalisen DNA-molekyylin säikeistä. Tämän jälkeen tapahtuu useita vaiheita, joita useiden entsyymien katalysoivat.

3'-pää, jossa leikkaus tapahtuu, tunkeutuu kaksoishomologiseen DNA-juosteeseen. Invasiointi on ratkaisevan tärkeää. "Homologisella ketjulla" haluamme viitata kromosomien osiin, joilla on samat geenit lineaarisessa järjestyksessä, vaikka nukleotidisekvenssien ei tarvitse olla identtisiä.

synapse

Tämä juosteen invaasio sijoittaa homologiset kromosomit toisiinsa. Tätä nauhakohdan ilmiötä kutsutaan synapsisiksi (ei pidä sekoittaa neuronien synapseihin, tässä termiä käytetään toisella merkityksellä).

Synapsi ei välttämättä merkitse suoraa kosketusta molempien homologisten sekvenssien välillä, DNA voi jatkaa liikkumista jonkin aikaa, kunnes se löytää homologisen osan. Tätä hakuprosessia kutsutaan homologiseksi linjaukseksi.

D-silmukan muodostuminen

Sitten tapahtuu tapahtuma, jota kutsutaan "langan hyökkäykseksi". Kromosomi on DNA: n kaksoiskierre. Homologisessa rekombinaatiossa kaksi kromosomia etsivät homologisia sekvenssejä. Eräässä heliksissä säikeet erotetaan toisistaan ​​ja tämä juoste "tunkeutuu" kaksoiskierrekonstruktioon muodostaen rakenteen nimeltään loop D.

D-silmukan ketju on syrjäyttänyt sen lohkon invaasion, joka esittää murtuman ja parit alkuperäisen kaksoiskierroksen komplementaarisen juosteen kanssa.

Holliday-liittojen muodostaminen

Seuraava askel on Holliday-risteysten muodostaminen. Tässä vaihdettujen kierteiden päät on liitetty. Tällä liitolla on kyky liikkua mihin tahansa suuntaan. Liitto voidaan rikkoa ja muodostaa useaan otteeseen.

Viimeinen rekombinaatioprosessi on näiden liitosten resoluutio ja solulla on kaksi tapaa tai tapoja, joilla se saavuttaa sen. Yksi niistä on liiton katkaisu tai eukaryoottisille organismeille tyypillinen liukenemisprosessi.

Ensimmäisessä mekanismissa Hollidayn liiton rikkoutuminen regeneroi kaksi ketjua. Toisessa "purkamisen" tapahtumassa tapahtuu eräänlainen romahdus unionissa.

Proteiinit

Rekombinaatioprosessin ratkaiseva proteiini on nimeltään Rad51 eukaryoottisoluissa ja RecA in Escherichia coli. Se toimii rekombinaation eri vaiheissa: ennen synapssia, sen aikana ja sen jälkeen.

Rad51-proteiini helpottaa fyysisen yhteyden muodostumista hyökkäävän DNA: n ja karkaistun DNA: n välillä. Tässä prosessissa syntyy heteroduplex-DNA.

Rad51 ja sen homologi RecA katalysoivat homologisen DNA: n etsintää ja DNA-säikeiden vaihtoa. Näillä proteiineilla on kyky liittyä yhteistyössä yhden kaistan DNA: han.

Rad51: llä on myös paralogisia geenejä (jotka ovat peräisin geenien päällekkäisyyksien tapahtumista elinympäristössä), nimeltään Rad55 ja Rad57. Ihmisillä on tunnistettu viisi Rad51-paralogigeeniä, nimeltään Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 ja Xrcc3..

Rekombinaatioprosesseihin liittyvät poikkeavuudet

Koska rekombinaatio vaatii fyysistä sitoutumista kromosomeihin, se on ratkaiseva askel oikeassa segregaatiossa meioosin aikana. Jos riittävää rekombinaatiota ei tapahdu, tulos voi olla merkittävä patologia.

Kromosomien ei-disjunktio tai segregoitumisen virheet ovat yksi yleisimmistä kromosomiperäisten aborttien ja poikkeavuuksien syistä, kuten kromosomin 21 trisomia, joka aiheuttaa Downin oireyhtymää.

Vaikka rekombinaatio on yleensä melko tarkka prosessi, toistuvat genomin alueet ja geenit, joilla on useita kopioita pitkin genomia, ovat elementtejä, jotka ovat alttiita eriarvoinen ylitys.

Tämä ristikytkentä tuottaa erilaisia ​​kliinisiä piirteitä, mukaan lukien usein sairaudet, kuten talassemia ja autismi..

Rekombinaation sovellukset

Molekyylibiologit ovat käyttäneet hyväksi homologisen rekombinaation mekanismin tuntemusta erilaisten teknologioiden luomiseksi. Yksi näistä mahdollistaa organismien syntymisen "tyrmäys".

Nämä geneettisesti muunnetut organismit mahdollistavat kiinnostavan geenin toiminnan selvittämisen.

Yksi niistä menetelmistä, joita käytettiin aihiot se koostuu spesifisen geenin ilmentymisen tukahduttamisesta, joka korvaa alkuperäisen geenin muunnellulla tai "vahingoittuneella" versiolla. Geeni vaihdetaan mutatoidulle versiolle homologisen rekombinaation avulla.

Muita rekombinaatiotyyppejä

Homologisen tai laillisen rekombinaation lisäksi on olemassa muunlaisia ​​geneettisen materiaalin vaihtoa.

Kun DNA: n alueet, jotka vaihtavat materiaalia, ovat ei-alleelisia (homologisia kromosomeja), tuloksena on geenien päällekkäisyys tai pelkistyminen. Tätä prosessia kutsutaan ei-homologiseksi rekombinaatioksi tai epätasaiseksi rekombinaatioksi.

Yhdessä geneettinen materiaali voidaan myös vaihtaa saman kromosomin sisarkromatidien välillä. Tämä prosessi tapahtuu sekä meioottisessa että mitoottisessa jaossa, ja sitä kutsutaan epätasaiseksi vaihtoksi.

viittaukset

1. Baker, T. A., Watson, J. D., & Bell, S. P. (2003). Geenin molekyylibiologia. Benjamin-Cummings Publishing Company.
2. Devlin, T. M. (2004). Biokemia: oppikirja, jossa on kliinisiä sovelluksia. Käännin.
3. Jasin, M., & Rothstein, R. (2013). Kierrekatkosten korjaus homologisella rekombinaatiolla. Cold Spring Harborin näkökulmat biologiassa, 5(11), a012740.
4. Li, X. & Heyer, W. D. (2008). Homologinen rekombinaatio DNA-korjauksessa ja DNA-vaurion toleranssi. Solututkimus, 18(1), 99 - 113.
5. Murray, P.R., Rosenthal, K.S., & Pfaller, M.A. (2017). Lääketieteellinen mikrobiologia. Elsevier Health Sciences.
6. Nussbaum, R. L., McInnes, R. R. & Willard, H. F. (2015). Thompson & Thompsonin genetiikka lääketieteen e-kirjassa. Elsevier Health Sciences.
7. Virgili, R. O. & Taboada, J. M. V. (2006). Ihmisen genomi: uusi kehitys tutkimuksessa, diagnoosissa ja hoidossa. Edicions Universitat Barcelona.