HOMOLOGINĖ REKOMBINACIJA: FUNKCIJOS, MECHANIZMAS IR TAIKYMO BŪDAI - BIOLOGIJA - 2024

Homologinės rekombinacijos būdu yra procesas, kuris apima DNR molekulių keitimąsi tarp panašias ar identiškas skyriuose genomą. Ląstelės naudoja homologinę rekombinaciją daugiausia genetinės medžiagos pertraukoms atitaisyti, generuodamos genetinius pokyčius populiacijose.

Paprastai homologinė rekombinacija apima fizinį homologinių genetinės medžiagos sričių susiejimą, po to grandinių, kurios bus keičiamos, nutraukimą ir galiausiai naujų sujungtų DNR molekulių sujungimą.

Rekombinacija tarp dviejų homologinių chromosomų.
Šaltinis: Emw

Įtrūkimai DNR turi būti pašalinti kuo greičiau ir efektyviau. Nepažeidus žalos, pasekmės gali būti rimtos ir netgi mirtinos. Bakterijose pagrindinė homologinės rekombinacijos funkcija yra atitaisyti šias genetinės medžiagos pertraukas.

Homologinė rekombinacija laikoma vienu iš pagrindinių mechanizmų, leidžiančių išlaikyti genomą. Jo yra visose gyvenimo srityse ir net virusuose, taigi, greičiausiai, tai yra gyvybiškai svarbus mechanizmas, kuris atsirado labai ankstyvoje gyvenimo evoliucijos pradžioje.

Istorinė perspektyva

Vienas iš aktualiausių Gregoro Mendelio pasiūlytų principų yra nepriklausomybė atskiriant personažus. Remiantis šiuo įstatymu, skirtingi genai perduodami iš tėvų savarankiškai.

Tačiau 1900 m. Buvo akivaizdu, kad egzistuoja labai ryškios šio principo išimtys. Anglų genetikai Batesonas ir Punnettas parodė, kad daug kartų tam tikri bruožai paveldimi kartu, ir šiems bruožams Mendelio nurodytas principas negalioja.

Vėliau atlikus tyrimus pavyko išsiaiškinti rekombinacijos proceso, kuriame ląstelės galėjo keistis genetine medžiaga, egzistavimą. Tais atvejais, kai genai paveldėjo kartu, DNR nebuvo keičiamasi dėl fizinio genų artumo.

Kas yra homologinė rekombinacija?

Homologinė rekombinacija yra ląstelių reiškinys, apimantis fizinį DNR sekų mainus tarp dviejų chromosomų. Rekombinacija apima genų, vadinamų rec genais, rinkinį. Tai koduoja skirtingus fermentus, kurie dalyvauja procese.

DNR molekulės yra laikomos „homologiškomis“, kai jos turi panašias ar tapačias daugiau nei 100 bazių porų sekas. DNR turi mažus regionus, kurie gali skirtis vienas nuo kito, ir šie variantai yra žinomi kaip aleliai.

Gyvuose daiktuose visa DNR yra laikoma rekombinantine DNR. Genetinės medžiagos mainai tarp chromosomų vyksta nuolat, maišant ir pertvarkant chromosomų genus.

Šis procesas akivaizdžiai vyksta mejozėje. Tiksliau toje fazėje, kurioje chromosomos poruojasi pirmojo ląstelių dalijimosi metu. Šiame etape vyksta genetinės medžiagos mainai tarp chromosomų.

Istoriškai šis procesas literatūroje apibūdinamas vartojant anglosaksų žodį. Šis įvykis yra vienas iš homologinės rekombinacijos rezultatų.

Kryžminimo dažnis tarp dviejų tos pačios chromosomos genų daugiausia priklauso nuo atstumo, kuris yra tarp jų; kuo mažesnis fizinis atstumas tarp jų, tuo mažesnis keitimosi dažnis.

Homologinės rekombinacijos funkcijos ir pasekmės

Genetinė medžiaga yra nuolat veikiama pažeidimų, kuriuos sukelia endogeniniai ir egzogeniniai šaltiniai, pavyzdžiui, radiacija.

Manoma, kad žmogaus ląstelėse yra nemažai DNR pažeidimų, nuo dešimties iki šimtų per dieną. Šiuos pažeidimus reikia taisyti, kad būtų išvengta galimų žalingų mutacijų, replikacijos ir transkripcijos blokų bei pažeidimų chromosomų lygyje.

Medicinos požiūriu, tinkamai nepataisytas DNR pažeidimas sukelia navikų ir kitų patologijų vystymąsi.

Homologinė rekombinacija yra įvykis, leidžiantis atkurti DNR, leidžiantis atkurti prarastas sekas, naudojant šabloną kitą (homologinę) DNR grandinę.

Šis medžiagų apykaitos procesas vyksta visose gyvenimo formose, sukurdamas didelio tikslumo mechanizmą, leidžiantį ištaisyti „DNR spragas“, DNR pertraukas ir kryžminius ryšius tarp DNR grandžių.

Viena iš svarbiausių rekombinacijos pasekmių yra naujos genetinės variacijos generavimas. Kartu su mutacijomis jie yra du procesai, sukeliantys gyvų būtybių kitimą - atminkite, kad kitimas yra žaliava evoliucijai.

Be to, jame pateikiamas sugadintų replikacijos šakių atstatymo mechanizmas.

Esant bakterijoms

Bakterijose dažnai būna horizontalių genų perdavimo atvejų. Jie klasifikuojami kaip konjugacija, transformacija ir transdukcija. Čia prokariotai paima DNR iš kito organizmo ir net iš skirtingų rūšių.

Šių procesų metu tarp ląstelės recipiento ir donoro ląstelės vyksta homologinė rekombinacija.

Mechanizmas

Homologinė rekombinacija prasideda nutrūkus vienai iš chromosomų DNR molekulės gijų. Po to įvyksta daugybė fermentų katalizuojami etapai.

3 'galas, kuriame įvyksta pjūvis, yra įsiveržęs dėl homologinės dvigubos DNR grandinės. Invazijos procesas yra labai svarbus. „Homologine grandine“ turime omenyje tas chromosomų dalis, kurios turi tuos pačius genus linijine tvarka, nors nukleotidų sekos nebūtinai turi būti tapačios.

Sinapsė

Dėl šios stygos invazijos homologinės chromosomos yra nukreiptos viena į kitą. Šis gijų susitikimo reiškinys vadinamas sinapsėmis (nepainioti su sinapsėmis neuronuose, čia terminas vartojamas su kita prasme).

Sinapsė nebūtinai reiškia tiesioginį abiejų homologinių sekų kontaktą, DNR kurį laiką gali judėti, kol randa homologinę dalį. Šis paieškos procesas vadinamas homologiniu suderinimu.

D-kilpos formavimas

Tada įvyksta įvykis, vadinamas „stygų invazija“. Chromosoma yra dviguba DNR spiralė. Atliekant homologinę rekombinaciją, dvi chromosomos ieško savo homologinių sekų. Vienoje iš spiralių sruogos atsiskiria ir ši gija „įsiveržia“ į dvigubos spiralės struktūrą, sudarydama struktūrą, vadinamą D kilpa.

D-kilpos styga buvo išstumta įsiveržus į lūžtančią sruogą ir suporuota su papildoma originalios dvigubos spiralės styga.

Holliday sankryžos formavimas

Kitas žingsnis yra Holliday sąjungų sudarymas. Čia keičiamų sruogų galai yra susieti. Ši sąjunga turi galimybę judėti bet kuria kryptimi. Sąnarys gali nutrūkti ir susiformuoti kelis kartus.

Galutinis rekombinacijos procesas yra šių sąjungų išsiskyrimas ir yra du būdai ar būdai, kuriais ląstelė tai pasiekia. Vienas iš jų yra jungties suskaidymas arba procesas, vadinamas tirpimu, būdingas eukariotiniams organizmams.

Pirmajame mechanizme, sulaužant Holliday sankryžą, atsinaujina dvi grandinės. Kitu „iširimo“ atveju sąjungoje įvyksta savotiškas žlugimas.

Dalyvauja baltymai

Esminis baltymas rekombinacijos procese eukariotinėse ląstelėse vadinamas Rad51, o Escherichia coli - RecA. Jis veikia skirtingais rekombinacijos etapais: prieš sinapsę, jos metu ir po jos.

„Rad51“ baltymas palengvina fizinio ryšio tarp įsiveržiančios DNR ir grūdintos DNR formavimąsi. Šiame procese susidaro heteroduplekso DNR.

„Rad51“ ir jo RecA atitikmuo katalizuoja homologinės DNR paiešką ir DNR gijų pasikeitimą. Šie baltymai turi savybę bendradarbiaujant jungtis su vienos juostos DNR.

Taip pat yra „Rad51“, vadinamo „Rad55“ ir „Rad57“, paralogo genai (kilę dėl genų dubliavimosi įvykiu iš organizmo linijos). Žmonėms buvo nustatyti penki „Rad51“ paralogo genai, vadinami „Rad51B“, „Rad51C“, „Rad51D“, „Xrcc2“ ir „Xrcc3“.

Anomalijos, susijusios su rekombinacijos procesais

Kadangi rekombinacijai reikia fizinio surišimo su chromosomomis, tai yra esminis tinkamos segregacijos etapas mejozės metu. Jei tinkamai rekombinacija nevyksta, rezultatas gali būti pagrindinė patologija.

Nesusijusios chromosomos arba atskyrimo klaidos yra viena iš dažniausių abortų ir chromosomos kilmės anomalijų, tokių kaip 21 chromosomos trisomija, sukeliančios Dauno sindromą, priežasčių.

Nors rekombinacija paprastai yra gana tikslus procesas, kartojami genomo regionai ir genai, turintys daugybę kopijų visame genome, yra linkę į netolygų kryžminimą.

Šis mišrūnas sukelia skirtingus kliniškai reikšmingus bruožus, įskaitant bendras ligas, tokias kaip talasemija ir autizmas.

Rekombinacijos programos

Norėdami sukurti skirtingas technologijas, molekuliniai biologai pasinaudojo žiniomis apie homologinės rekombinacijos mechanizmą. Vienas iš jų leidžia sukurti „nokauto“ organizmus.

Šie genetiškai modifikuoti organizmai leidžia išsiaiškinti dominančio geno funkciją.

Viena iš nokautų kūrimo metodikų yra specifinio geno išraiškos slopinimas, pradinį geną pakeitus modifikuota ar „sugadinta“ versija. Genas keičiamas į mutavusią versiją homologinės rekombinacijos būdu.

Kiti rekombinacijos tipai

Be homologinės ar teisėtos rekombinacijos, yra ir kitų rūšių genetinės medžiagos mainų.

Kai DNR regionai, kuriuose keičiasi medžiaga, nėra aleliniai (homologinės chromosomos), rezultatas yra genų dubliavimasis arba sumažinimas. Šis procesas yra žinomas kaip nehomologinė rekombinacija arba nevienoda rekombinacija.

Kartu genetinė medžiaga taip pat gali keistis tarp seserų chromatidžių toje pačioje chromosomoje. Šis procesas vyksta tiek meiotiniame, tiek mitoziniame pasidalijime ir yra vadinamas nevienodais mainais.

Nuorodos

1. Bakeris, TA, Watson, JD ir Bell, SP (2003). Geno molekulinė biologija. „Benjamin-Cummings“ leidybos įmonė.
2. Devlin, TM (2004). Biochemija: vadovėlis su klinikiniais pritaikymais. Aš atbuline eiga.
3. Jasin, M., & Rothstein, R. (2013). Sruogų pertraukų taisymas naudojant homologinę rekombinaciją. Šaltojo pavasario uosto biologinės perspektyvos, 5 (11), a012740.
4. Li, X. ir Heyer, WD (2008). Homologinė rekombinacija atkuriant DNR ir tolerancija DNR pažeidimams. Ląstelių tyrimas, 18 (1), 99–113.
5. Murray, PR, Rosenthal, KS ir Pfaller, MA (2017). Medicininė mikrobiologija. Elsevier sveikatos mokslai.
6. „Nussbaum“, R. L., „McInnes“, RR ir „Willard“, HF (2015). „Thompson & Thompson“ genetika medicinos el. Knygoje. Elsevier sveikatos mokslai.
7. Virgili, RO ir Taboada, JMV (2006). Žmogaus genomas: nauja tyrimų, diagnostikos ir gydymo pažanga. „Universitat Barcelona“ leidimai.