Typy a mechanismy genetické rekombinace



genetická rekombinace je proces, kterým molekuly nukleových kyselin vyměňují fragmenty vytvářející novou molekulu. To je velmi běžné v DNA, ale RNA je také substrátem pro rekombinaci. Rekombinace je po mutaci nejdůležitějším zdrojem vzniku genetické variability.

DNA se podílí na různých biochemických procesech. Během replikace slouží jako templát pro generování dvou nových molekul DNA. V transkripci umožňuje generovat molekuly RNA ze specifických oblastí řízených promotorem.

Kromě toho je DNA také schopna výměny fragmentů. Tímto procesem vznikají nové kombinace, které nejsou výsledkem dvou předchozích procesů, ani hnojení.

Jakýkoliv proces rekombinace zahrnuje rozbití a vazbu molekul DNA, které jsou součástí procesu. Tento mechanismus se liší v závislosti na tom, jaký je rekombinantní substrát, enzymy zapojené do procesu a mechanismus jeho provedení.

Rekombinace obecně závisí na existenci komplementárních oblastí, podobných (ne-li identických) nebo homologních mezi rekombinantními molekulami. V případě, že rekombinují molekuly v procesech, které nejsou řízeny homologií, je řečeno, že rekombinace není homologní.

Pokud homologie zahrnuje velmi krátkou oblast přítomnou v obou molekulách, je řečeno, že rekombinace je místně specifická.

Index

  • 1 Definice
    • 1.1 Chiasm a cross-linking
  • 2 Typy genetické rekombinace
    • 2.1-místně specifická rekombinace
    • 2.2-Homologní rekombinace
    • 2.3 - Nehomologní rekombinace
  • 3 Význam rekombinace
    • 3.1 Význam jako příčina: replikace a oprava DNA
    • 3.2 Důsledek: tvorba genetické variability
    • 3.3 Rekombinace a zdraví
  • 4 Odkazy

Definice

To, čemu říkáme homologie v rekombinaci, nemusí nutně znamenat evoluční původ zúčastněných molekul. Mluvíme více o stupni podobnosti v nukleotidové sekvenci.

Nereparativní rekombinace, například, nastane v eukaryotes během procesu meiosis. Nepochybně nemůže existovat větší homologie než mezi páry chromozomů ve stejné buňce.

Proto se nazývají homologní chromozomy. Existují však případy, kdy DNA buňky vyměňuje materiál s cizí DNA. Tyto DNA musí být velmi podobné rekombinaci, ale nemusí nutně sdílet stejný předek (homologii), aby toho dosáhly.

Chiasm a síťování

Místo spojení a výměny mezi dvěma molekulami DNA se nazývá chiasm a proces jako takový, zesítění. Během intercrossingu je ověřena výměna pásem mezi zúčastněnými DNA.

To vytváří kointegrát, což jsou dvě molekuly DNA, které jsou fyzicky spojené v jednom. Když je kointegrát "vyřešen", jsou generovány dvě molekuly, obecně změněné (rekombinantní).

"Řešit", v kontextu rekombinace, je oddělit složky molekul DNA kointegrátu.

Druhy genetické rekombinace

-Lokálně specifická rekombinace

V místně specifické rekombinaci mají dvě molekuly DNA, obecně nehomologní, krátkou sekvenci společnou pro oba. Tato sekvence je cílena specifickým enzymem sestřihu.

Enzym, schopný rozpoznat tuto sekvenci a ne další, ji štěpí v určitém místě v obou molekulách. S pomocí některých dalších faktorů vyměňuje DNA pásy obou zúčastněných molekul a tvoří kointegrát.

Escherichia coli a lambda

To je základem tvorby kointegrátu mezi genomem bakterie Escherichia coli a bakteriofágu lambda. Bakteriofág je virus, který infikuje bakterie.

Tvorba tohoto kointegrátu se provádí enzymem kódovaným v genomu viru: lambda integráza. To rozpoznává společnou sekvenci nazvanou attP v kruhovém genomu viru a attB v bakterii.

Vyříznutím obou sekvencí v obou molekulách generuje volné segmenty, vymění pásy a spojí oba genomy. Větší kruh je tvořen nebo kointegrovaný.

V kointegrovaném genomu virus je pasivně nesen bakteriálním genomem, se kterým se replikuje. V tomto stavu se říká, že virus je ve stavu proviru a že bakterie je pro ni lysogenní.

Inverzní proces, tj. Kointegrované rozlišení, může trvat mnoho generací - nebo dokonce nenastane. Nicméně, jestliže to je děláno, to je enzymaticky zprostředkované jiným proteinem kódovaným virovým genomem volalo excisionasa. Když k tomu dojde, virus se oddělí od kointegrátu, reaktivuje a způsobuje lýzu buněk.

-Homologní rekombinace

Generalizovaná rekombinace

Homologní rekombinace je ověřena mezi molekulami DNA, které sdílejí alespoň 40 nukleotidů úplné nebo téměř úplné podobnosti. Pro provedení rekombinačního procesu se musí účastnit alespoň jedna endonukleáza.

Endonukleázy jsou enzymy, které generují vnitřní řezy v DNA. Někteří to dělají, aby pokračovali v degradaci DNA. Jiní, stejně jako v případě rekombinace, tak dělají v DNA.

Tento jedinečný nick vám umožňuje zpracovat jeden pás DNA s volným koncem. Tento volný konec, vedený rekombinázou, umožňuje jedinému pásmu invazi do dvojité DNA vytěsněním rezidentní kapely identické s ní.

Toto je bod křížení, mezi molekulou dárcovské DNA ("invader") a jiným příjemcem.

Enzym (rekombináza), který provádí proces invaze a výměny pásů v Escherichia coli nazývá se RecA. Existují i ​​jiné homologní proteiny v prokaryotech, jako je RadA v archaea. U eukaryot je ekvivalentní enzym nazýván RAD51.

Jakmile invadující gang přemístí rezidenta, interaguje s pásem, který zůstal jednoduchý v molekule donoru. Oba body jsou utěsněny působením ligázy.

Nyní máme DNA z hybridních pásů (donorový pás a receptorový pás, různého původu) lemovaných DNA dárce a DNA příjemce. Přechodové body (chiasmas) se pohybují v obou směrech nejméně 200 bp.

Každý zesíťovací bod tvoří to, co je známo jako Hollidayova struktura (křížová DNA vyplývající z rekombinační události).

Tato křížová DNA musí být rozdělena jinými endonukleázami. Hybridní nebo chimérická DNA této struktury může být řešena dvěma způsoby. Pokud se druhý konec endonukleotidu vyskytuje ve stejném pásmu, ve kterém se vyskytl první, rekombinace se nevytvoří. Pokud druhý řez nastane v jiném pásmu, výsledné produkty jsou rekombinantní.

Rekombinace V (D) J

Jedná se o typ somatické rekombinace (ne meiotické), která přispívá k tvorbě enormní variability protilátek imunitního systému..

Tato rekombinace je ověřena zejména v fragmentech genů, které kódují polypeptidové řetězce, které je definují. Provádí se B buňkami a zahrnuje různé genetické oblasti.

Zajímavé je, že existují paraziti Trypanosoma brucei které používají podobný rekombinační mechanismus pro vytvoření variability povrchového antigenu. Tímto způsobem se mohou vyhnout odpovědi hostitele, pokud nedokáže vytvořit protilátku schopnou rozpoznat "nový" antigen..

-Nehomologní rekombinace

Konečně existují rekombinační procesy, které nezávisí na sekvenční podobnosti zúčastněných molekul. U eukaryot je to velmi důležité, například rekombinace nehomologních konců.

To se děje s fragmenty DNA, které mají dvojité rozštěpy v DNA. Ty jsou "opraveny" buňkou, která je spojuje s jinými fragmenty stejně jako praskliny s dvojitým pásem.

Tyto molekuly však nemusí být nutně podobné, aby se účastnily tohoto procesu rekombinace. To znamená, že opravou poškození může buňka vázat nepříbuznou DNA a vytvořit tak skutečně novou (rekombinantní) molekulu. 

Význam rekombinace

Význam jako příčina: replikace a opravy DNA

Rekombinace zaručuje věrnost informací o DNA během procesu replikace a po něm. Rekombinace detekuje poškození DNA během procesu vytváření nových pásů v této extrémně dlouhé makromolekule.

Protože každá skupina má své vlastní informace, a to svého komplementu, rekombinace zaručuje, že žádný z nich není ztracen. Každý jedná jako svědek pro druhého. Podobně, v diploidních organismech, homologní chromozóm je svědkem jeho bratra a naopak.

Na druhé straně, jakmile je DNA replikována, jsou mechanismy poškození poškození této molekuly různé. Některé jsou přímé (jedná se přímo o újmu) a jiné jsou nepřímé.

Nepřímé mechanismy opravy závisí na provedené rekombinaci. To znamená, že k opravě poškození jedné molekuly DNA je použita další homologní molekula. To by působilo v reparativní rekombinaci jako forma, která utrpěla poškození.

Důležitost jako důsledek: tvorba genetické variability

Rekombinace je schopna vytvořit obrovskou chromozomální variabilitu během meiózy. Somatická rekombinace také vytváří variabilitu, jako v případě protilátek u obratlovců.

V mnoha organismech je meióza gamética. V organismech se sexuální reprodukcí se rekombinace stává jedním z nejsilnějších způsobů, jak vytvořit variabilitu.

To znamená, že ke spontánní mutaci a segregaci chromozomů je nutné přidat rekombinaci jako další generátorový element gametické variability..

Integrace genomů bakteriofágů místně specifickou rekombinací na druhé straně přispěla k remodelaci genomu jejich hostitelských bakterií..

To přispělo k vytvoření genomové variability a evoluce této důležité skupiny živých bytostí.

Rekombinace a zdraví

Už jsme viděli, že DNA může být opravena, ale ne to, co ji poškozuje. Ve skutečnosti téměř všechno může poškodit DNA, počínaje chybnou replikací, která není opravena.

Kromě toho může být DNA poškozena UV světlem, ionizujícím zářením, volnými kyslíkovými radikály, produktem buněčného dýchání a tím, co jíme, kouříme, dýcháme, jíme nebo se dotýkáme.

Naštěstí se nemusíte vzdát života, abyste chránili DNA. Člověk se musí zřeknout určitých věcí, ale velkou práci vykonává sama buňka. Tyto mechanismy detekce poškození DNA a její opravy mají zjevně genetický základ a její nedostatek, enormní následky.

Mezi onemocnění související s defekty v homologní rekombinaci patří například Bloomovy a Wernerovy syndromy, familiární karcinom prsu a vaječníků atd..

Odkazy

  1. Alberts, B., Johnson, A.D., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6. vydání). W. Norton & Company, New York, NY, USA.
  2. Bell, J.C., Kowalczykowski, S.C. Annual Review of Biochemistry, 85: 193-226.
  3. Prado, F. () Homologní rekombinace: do vidlice a za. Geny, doi: 10.3390 / gene9120603
  4. Griffiths, A. J. F., Wessler, R., Carroll, S.B., Doebley, J. (2015). Úvod do genetické analýzy (11. vydání). New York: W. H. Freeman, New York, NY, USA.
  5. Tock, A. J., Henderson, I.R. Hranice v genetice, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
  6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) A Prophages in Salmonella enterica: hnací síla při přetvoření genomu a fyziologie jejich bakteriálního hostitele? Molekulární mikrobiologie, doi: 10.1111 / mmi.14167.
  7. Wright, W. D., Shah, S., Heyer, W. D. (2018) Homologní rekombinace a DNA opravy dvouvláknových zlomů. Journal of Biological Chemistry, 293: 10524-10535