GENETINĖ REKOMBINACIJA: TIPAI IR MECHANIZMAI - BIOLOGIJA - 2026

Genetinė rekombinacija yra procesas, kurio metu molekulės nukleino rūgščių fragmentų keistis generuoti naują molekulę. Tai labai paplitusi DNR, tačiau RNR yra ir rekombinacijos substratas. Po mutacijos rekombinacija yra svarbiausias genetinio kintamumo generavimo šaltinis.

DNR dalyvauja skirtinguose biocheminiuose procesuose. Replikacijos metu jis naudojamas kaip šablonas dviejų naujų DNR molekulių generavimui. Transkripcija suteikia galimybę generuoti RNR molekules iš specifinių regionų, kuriuos kontroliuoja promotorius.

Bendrieji DNR rekombinacijos etapai. Juergen Bode, per „Wikimedia Commons“

Be viso to, DNR taip pat geba keistis fragmentais. Šis procesas sukuria naujus derinius, kurie nėra nei dviejų ankstesnių procesų, nei tręšimo rezultatas.

Visas rekombinacijos procesas apima DNR molekulių, kurios dalyvauja procese, suskaidymą ir sujungimą. Šis mechanizmas skiriasi priklausomai nuo rekombinacijos substrato, procese dalyvaujančių fermentų ir jo vykdymo mechanizmo.

Rekombinacija paprastai priklauso nuo to, ar tarp rekombinuojančių molekulių yra komplementuojančios, panašios (jei ne tapačios) arba homologinės sritys. Tuo atveju, kai molekulės rekombinuojasi procesuose, kurių neremia homologija, sakoma, kad rekombinacija nėra homologiška.

Jei homologija apima labai trumpą regioną, esantį abiejose molekulėse, sakoma, kad rekombinacija yra specifinė vietai.

Apibrėžimas

Tai, ką mes vadiname homologija rekombinacijoje, nebūtinai reiškia dalyvaujančių molekulių evoliucinę kilmę. Greičiau mes kalbame apie nukleotidų sekos panašumo laipsnį.

Nereparatinė rekombinacija, pavyzdžiui, įvyksta eukariotuose mejozės proceso metu. Be jokios abejonės, negali būti didesnės homologijos nei tarp chromosomų porų toje pačioje ląstelėje.

Štai kodėl jie vadinami homologinėmis chromosomomis. Tačiau yra atvejų, kai ląstelės DNR keičia medžiagą su svetima DNR. Šios DNR turi būti labai panašios į rekombiną, tačiau norint tai pasiekti, jos nebūtinai turi turėti tą patį protėvį (homologiją).

Chiasmas ir kryžminimas

Prijungimo ir mainų vieta tarp dviejų DNR molekulių yra vadinama chiasma, o pats procesas vadinamas kryžminimu. Perėjimo metu patikrinama juosta tarp dalyvaujančių DNR.

Tai sukuria kointegratą, tai yra dvi DNR molekules, fiziškai sujungtas į vieną. Kai kointegratas „atsigauna“, susidaro dvi molekulės, paprastai pakeistos (rekombinantinės).

„Išspręsti“ rekombinacijos metu yra atskirti kointegrato DNR molekules.

Genetinės rekombinacijos tipai

- Svetainės rekombinacija

Atliekant specifinę rekombinaciją, dvi DNR molekulės, paprastai ne homologiškos, turi trumpą seką, bendrą abiem. Ši seka yra konkretaus splaisingo fermento taikinys.

Fermentas, galintis atpažinti šią seką, o ne kitą, supjausto ją tam tikroje abiejų molekulių vietoje. Padedamas kai kurių kitų veiksnių, jis apsikeičia dviejų dalyvaujančių molekulių DNR juostomis ir sudaro bendrą integratą.

Escherichia coli

Tai yra pagrindas Escherichia coli bakterijos ir bakteriofago lambda genomo susidarymui. Bakteriofagas yra virusas, užkrečiantis bakterijas.

Šio kointegrato formavimas vyksta fermento, užkoduoto viruso genome: lambda integrase. Jis atpažįsta įprastą seką, vadinamą attP viruso žiediniame genome, o attB - bakterijoje.

Pjaustydamas abi sekas sekose iš abiejų molekulių, ji sukuria laisvus segmentus, keičiasi juostomis ir sujungia du genomus. Tada susidaro didesnis arba kartu integruotas apskritimas.

Kointegracijos metu viruso genomą pasyviai perneša bakterijų genomas, su kuriuo jis replikuojasi. Šioje būsenoje sakoma, kad virusas yra provirusinės būklės, o bakterija yra lizogeninė.

Atvirkštinis procesas, tai yra kointegrato skiriamoji geba, gali užtrukti daugybę kartų - arba net neįvykti. Tačiau tai atliekant fermentais, tarpininkauja kitas viruso genomo užkoduotas baltymas, vadinamas ekscizija. Kai tai atsitiks, virusas atsiskiria nuo kointegrato, vėl suaktyvėja ir sukelia ląstelių lizę.

-Homologinė rekombinacija

Generalizuota rekombinacija

Homologinė rekombinacija vyksta tarp DNR molekulių, turinčių ne mažiau kaip 40 visiško ar beveik visiško panašumo nukleotidų. Norint atlikti rekombinacijos procesą, reikia įtraukti bent vieną endonukleazę.

Endonukleazės yra fermentai, kurie daro vidinius DNR pjūvius. Kai kurie tai daro norėdami suskaidyti DNR. Kiti, kaip ir rekombinacijos atveju, tai daro, kad DNR suformuotų įdubimą.

Šis unikalus slapyvardis leidžia apdoroti vienos juostos DNR su laisvu galu. Šis laisvas galas, orientuotas į rekombinazę, leidžia vienai juostai įsibrauti į dvigubą DNR, išstumdamas joje esančią juostą identišką.

Tai donoro („įsibrovėlio“) DNR molekulės ir kito receptoriaus perėjimo taškas.

Fermentas (rekombinazė), vykdantis invazijos ir juostų mainų procesą Escherichia coli, vadinamas RecA. Prokariotuose yra ir kitų homologinių baltymų, tokių kaip RadA archajoje. Eukariotuose ekvivalentinis fermentas vadinamas RAD51.

Kai invazinė juosta išstumia gyventoją, ji sąveikauja su juosta, kuri donoro molekulėje buvo paprasta. Abi vietos yra uždaromos ligazės veikimu.

Dabar turime hibridinės juostos DNR (donoro ir recipiento juostos, skirtingos kilmės), paremtas donoro DNR ir recipiento DNR. Kertiniai taškai (chiasmata) juda į abi puses mažiausiai 200 bp.

Kiekvienas kryžminio taško taškas yra vadinamas Holliday struktūra (kryžminis DNR produktas rekombinacijos atveju).

Ši kryžminė DNR turi būti išspręsta kitomis endonukleazėmis. Šios struktūros chimerinė arba hibridinė DNR gali būti išspręsta dviem būdais. Jei antrasis endonukleotido pjūvis įvyksta toje pačioje juostoje kaip ir pirmoji, rekombinacija nevyksta. Jei antrasis pjūvis įvyksta kitoje juostoje, gauti produktai yra rekombinantiniai.

Rekombinantinė DNR Holliday struktūroje. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Mao-4armjunction-schematic.png.

Rekombinacija V (D) J

Tai somatinės rekombinacijos (ne meiotinės) rūšis, kuri prisideda prie didžiulės kintamumo imuninės sistemos antikūnų generavimo.

Ši rekombinacija ypač vyksta genų, koduojančių juos apibrėžiančias polipeptidines grandines, fragmentuose. Jį vykdo B ląstelės ir jis apima skirtingus genetinius regionus.

Įdomu tai, kad yra parazitų, tokių kaip Trypanosoma brucei, kurie naudoja panašų rekombinacijos mechanizmą, kad sukurtų paviršiaus antigeno kintamumą. Tokiu būdu jie gali išvengti šeimininko reakcijos, jei šeimininkui nepavyksta sukurti antikūno, galinčio atpažinti „naują“ antigeną.

Antikūnų įvairovė, sukurta rekombinacijos būdu. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Cambio_clase_recombinacion.PNG

-Nomologinė rekombinacija

Galiausiai yra rekombinacijos procesai, kurie nepriklauso nuo dalyvaujančių molekulių sekos panašumo. Pavyzdžiui, eukariotuose labai svarbu nehomologinių galų rekombinacija.

Tai įvyksta su DNR fragmentais, kurie rodo dvigubą juostos pertrauką DNR. Juos „pataiso“ ląstelė, sujungdama juos su kitais fragmentais, taip pat su dviguba juostos pertrauka.

Tačiau šios molekulės nebūtinai turi būti panašios, kad galėtų dalyvauti šiame rekombinacijos procese. Tai yra, atitaisydamas pažeidimą, ląstelė gali prisijungti prie nesusijusių DNR ir taip sukurti tikrai naują (rekombinantinę) molekulę.

Rekombinacijos svarba

Svarba kaip priežastis: DNR replikacija ir taisymas

Rekombinacija užtikrina DNR informacijos tikslumą replikacijos proceso metu ir po jo. Rekombinacija nustato DNR pažeidimus naujo juostos proceso metu šioje ypač ilgoje makromolekulėje.

Kadangi kiekviena juosta turi savo ir papildomą informaciją, rekombinacija garantuoja, kad nė viena nebus prarasta. Kiekvienas iš jų yra liudytojas kitam. Panašiai yra ir diploidiniuose organizmuose, kai homologinė chromosoma liudija savo brolį ir seserį, ir atvirkščiai.

Kita vertus, replikavus DNR, šios molekulės žalos taisymo mechanizmai yra įvairūs. Kai kurios yra tiesioginės (sužeidimas padaromas tiesiogiai), o kitos - netiesioginės.

Netiesioginiai remonto mechanizmai priklauso nuo to, kokia rekombinacija įvyks. T. y. Norint ištaisyti DNR molekulės pažeidimą, naudojama kita homologinė molekulė. Tai veiktų kaip reprezentatyvi rekombinacija, kaip šablonas, kuriam ji patyrė žalos.

Svarba kaip pasekmė: genetinio kintamumo generavimas

Rekombinacija gali sukelti didžiulį chromosomų kintamumą mejozės metu. Somatinė rekombinacija taip pat sukuria kintamumą, kaip antikūnų ant stuburinių gyvūnų atveju.

Daugelyje organizmų mejozė yra gametinė. Lytiškai dauginamuose organizmuose rekombinacija yra vienas iš galingiausių kintamumo generavimo būdų.

T. y., Prie savaiminės mutacijos ir chromosomų atskyrimo, rekombinacija turi būti pridėta kaip dar vienas elementas, sukuriantis gametinį kintamumą.

Kita vertus, bakteriofagų genomų integracija specifinei vietinei rekombinacijai prisidėjo prie jų šeimininko bakterijų genomo pertvarkymo.

Tai prisidėjo prie šios svarbios gyvų būtybių grupės genominio kintamumo ir evoliucijos generavimo.

Rekombinacija ir sveikata

Mes jau matėme, kad DNR gali būti pataisyta, bet ne tai, kas ją sugadina. Realybėje DNR gali sugadinti beveik viskas, pradedant klaidingu pakartojimu, kuris neištaisomas.

Be to, DNR gali pakenkti UV šviesa, jonizuojančioji spinduliuotė, laisvieji deguonies radikalai, atsirandantys dėl ląstelių kvėpavimo, ir tai, ką mes valgome, rūkyme, kvėpuojame, praryjame ar liečiame.

Laimei, jūs neturite atsisakyti gyvenimo, kad apsaugotumėte DNR. Tam tikrų dalykų reikia atsisakyti, tačiau didelius darbus atlieka pati ląstelė. Šie mechanizmai, skirti nustatyti DNR žalą ir jos atstatymą, akivaizdžiai turi genetinį pagrindą, o jų trūkumas - didžiulės pasekmės.

Ligos, susijusios su homologinės rekombinacijos defektais, apima, pavyzdžiui, Bloomo ir Vernerio sindromus, šeiminį krūties ir kiaušidžių vėžį ir kt.

Nuorodos

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6-asis leidimas). „WW Norton & Company“, Niujorkas, NY, JAV.
2. Bell, JC, Kowalczykowski, SC (2016) DNR rekombinacijos mechanika ir vienos molekulės apklausa. Metinė biochemijos apžvalga, 85: 193–226.
3. Prado, F. () Homologinė rekombinacija: šakutei ir už jo ribų. Genai, doi: 10.3390 / genai9120603
4. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). Įvadas į genetinę analizę (11-asis leidimas). Niujorkas: WH Freeman, Niujorkas, NY, JAV.
5. Tockas, AJ, Hendersonas, IR (2018) Meiotinės rekombinacijos pradžios taškai. Frontiers in Genetics, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) A Prophages in Salmonella enterica: varomoji jėga keičiant jų bakterijų šeimininko genomą ir fiziologiją? Molekulinė mikrobiologija, doi: 10.1111 / mmi.14167.
7. Wright, WD, Shah, SS, Heyer, WD (2018) Homologinė rekombinacija ir DNR dvigubų grandžių pertraukų taisymas. Journal of Biological Chemistry, 293: 10524-10535