Homologní rekombinační funkce, mechanismus a aplikace



homologní rekombinace jedná se o proces, který zahrnuje výměnu molekul DNA mezi podobnými nebo identickými úseky genomu. Buňky používají homologní rekombinaci hlavně pro opravu zlomů v genetickém materiálu, generování genetické variace v populacích.

Obecně homologní rekombinace implikuje fyzikální párování mezi homologními zónami genetického materiálu, následované rozbitím řetězců, které budou podrobeny výměně, a nakonec spojením nových molekul DNA dohromady.

Přerušení v DNA musí být opraveno co nejrychleji a nejúčinněji. Pokud nejsou škody napraveny, následky mohou být závažné a dokonce smrtelné. U bakterií je hlavní funkcí homologní rekombinace oprava těchto zlomů v genetickém materiálu.

Homologní rekombinace je považována za jeden z hlavních mechanismů, které umožňují stabilitu genomu. Je přítomen ve všech oblastech života a dokonce i ve virech, takže je to pravděpodobně životně důležitý mechanismus, který se objevil velmi brzy ve vývoji života..

Index

  • 1 Historická perspektiva
  • 2 Co je homologní rekombinace?
  • 3 Funkce a důsledky homologní rekombinace
    • 3.1 U bakterií
  • 4 Mechanismus
    • 4.1 Synapse
    • 4.2 Trénink smyčky D
    • 4.3 Vytvoření svazů Holliday
    • 4.4
  • 5 Abnormality spojené s rekombinačními procesy
  • 6 Aplikace rekombinace
  • 7 Jiné typy rekombinace
  • 8 Odkazy

Historická perspektiva

Jedním z nejdůležitějších principů navrhovaných Gregorem Mendelem je nezávislost v segregaci postav. Podle tohoto zákona přecházejí různé geny z rodičů na děti nezávisle.

V roce 1900 však byla zřejmá existence velmi výrazných výjimek z tohoto principu. Anglickí genetici Bateson a Punnett demonstrovali, že mnohonásobně určité znaky jsou zděděny společně, a pro tyto rysy nemá princip, který vyslovil Mendel, žádnou platnost.

Pozdějším vyšetřením se podařilo objasnit existenci procesu rekombinace, kdy byly buňky schopny vyměnit genetický materiál. V případech, kdy geny zděděné společně, DNA nebyla vyměněna kvůli fyzické blízkosti mezi geny.

Co je homologní rekombinace?

Homologní rekombinace je buněčný jev, který zahrnuje fyzickou výměnu DNA sekvencí mezi dvěma chromozomy. Rekombinace zahrnuje soubor genů známých jako geny rec. Tyto kódy kódují různé enzymy zapojené do procesu.

Molekuly DNA jsou považovány za "homologní", pokud mají podobné nebo identické sekvence více než 100 párů bází. DNA má malé oblasti, které se mohou od sebe lišit a tyto varianty jsou známé jako alely.

V živých bytostech je veškerá DNA považována za rekombinantní DNA. Výměna genetického materiálu mezi chromozomy probíhá nepřetržitě, míchání a přeskupování genů v chromozomech.

K tomuto procesu dochází zřejmě v meióze. Konkrétně ve fázi, kdy jsou chromosomy párovány v prvním buněčném dělení. V této fázi dochází k výměně genetického materiálu mezi chromozomy.

Historicky je tento proces v literatuře označován anglosaským slovem přejezd. Tato událost je jedním z výsledků homologní rekombinace.

Frekvence přejezd mezi dvěma geny stejného chromozomu závisí hlavně na vzdálenosti mezi nimi; Čím menší je fyzická vzdálenost mezi nimi, tím nižší je frekvence výměny.

Funkce a důsledky homologní rekombinace

Genetický materiál je neustále vystavován poškození, způsobenému např. Endogenními a exogenními zdroji, jako je například záření.

Odhaduje se, že lidské buňky představují významný počet lézí v DNA, řádově desítky až stovky denně. Tyto léze musí být opraveny, aby se zabránilo potenciálním škodlivým mutacím, blokování replikace a transkripci a poškození na úrovni chromozomů..

Z lékařského hlediska vede poškození DNA, které není opraveno správně, k rozvoji nádorů a dalších patologií.

Homologní rekombinace je událost, která umožňuje opravu DNA, což umožňuje obnovu ztracených sekvencí, za použití templátu dalšího řetězce DNA (homologního).

Tento metabolický proces je přítomen ve všech formách života, poskytuje mechanismus vysoké věrnosti, který umožňuje opravit "mezery" v DNA, dvouvláknové zlomy a křížové vazby mezi řetězci DNA.

Jedním z nejdůležitějších důsledků rekombinace je vytvoření nové genetické variace. Spolu s mutacemi jsou to dva procesy, které vytvářejí variace v živých bytostech - pamatujte, že variace je surovinou pro vývoj.

Navíc poskytuje mechanismus pro restartování replikačních vidlic, které byly poškozeny.

U bakterií

U bakterií se vyskytují časté případy horizontálního přenosu genů. Ty jsou klasifikovány jako konjugace, transformace a transdukce. Zde prokaryotes berou DNA z jiného organismu a dokonce z různých druhů.

Během těchto procesů dochází k homologní rekombinaci mezi buňkou příjemce a dárcovskou buňkou.

Mechanismus

Homologní rekombinace začíná zlomem v jednom z řetězců molekuly chromozomální DNA. Poté se vyskytne řada kroků katalyzovaných více enzymy.

3'-konec, kde dochází k řezu, je napaden dvojitým homologním řetězcem DNA. Proces invaze je klíčový. S "homologním řetězcem" chceme odkazovat na části chromozomů, které mají stejné geny v lineárním pořadí, i když nukleotidové sekvence nemusí být identické..

Synapse

Tato invaze řetězce umístí homologní chromozomy proti sobě. Tento fenomén střetnutí se nazývá synapsie (nesmí být zaměňován se synapsemi v neuronech, zde je termín používán s jiným významem).

Synapse nemusí nutně znamenat přímý kontakt mezi oběma homologními sekvencemi, DNA může pokračovat v pohybu po určitou dobu, dokud nenajde homologní část. Tento proces vyhledávání se nazývá homologní zarovnání.

Tvorba D smyčky

Potom dojde k události nazvané "invaze podprocesu". Chromozom je dvojitá šroubovice DNA. Při homologní rekombinaci dva chromosomy hledají své homologní sekvence. V jedné z šroubovice se oddělují prameny a toto vlákno "napadá" strukturu dvojité šroubovice, tvořící strukturu nazvanou smyčka D.

Řetěz D smyčky byl přemístěn invazí řetězce, který představuje rupturu a páry s komplementárním řetězcem původní dvojité šroubovice.

Formování Holliday odborů

Dalším krokem je vytvoření křižovatky Holliday. Zde jsou konce vyměněných vláken propojeny. Tato unie má schopnost pohybovat se jakýmkoliv směrem. Svazek může být rozbit a formován při několika příležitostech.

Konečným procesem rekombinace je rozlišení těchto spojení a existují dva způsoby, kterými buňka dosahuje. Jedním z nich je štěpení svazku nebo proces zvaný rozpouštění, typický pro eukaryotické organismy.

V prvním mechanismu, porušení unie Holliday regeneruje dva řetězce. V jiném případě "rozpuštění" dochází k určitému kolapsu v unii.

Zapojené proteiny

Klíčový protein procesu rekombinace se nazývá Rad51 v eukaryotických buňkách a RecA in Escherichia coli. Pracuje v různých fázích rekombinace: před, během a po synapse.

Protein Rad51 usnadňuje tvorbu fyzického spojení mezi invazivní DNA a temperovanou DNA. V tomto procesu je vytvořena heteroduplexní DNA.

Rad51 a jeho homolog RecA katalyzují hledání homologní DNA a výměnu DNA řetězců. Tyto proteiny mají schopnost spojit se kooperativně s jednovláknovou DNA.

Tam jsou také paralogical geny (vznikly z událostí genové duplikace v počtu organismů) Rad51, volal Rad55 a Rad57. U lidí bylo identifikováno pět genů Rad51 paralogu nazvaných Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 a Xrcc3..

Abnormality spojené s rekombinačními procesy

Protože rekombinace vyžaduje fyzickou vazbu v chromozomech, je to klíčový krok ve správné segregaci během meiózy. Pokud nedojde k adekvátní rekombinaci, může být výsledkem významná patologie.

Nespojování chromozomů nebo chyb v segregaci je jednou z nejčastějších příčin potratů a anomálií chromozomálního původu, jako je trisomie chromozomu 21, která způsobuje Downův syndrom.

Ačkoli rekombinace je obvykle poměrně přesný proces, oblasti genomu, které se opakují, a geny, které mají více kopií podél genomu, jsou prvky náchylné k nerovnoměrné křížení.

Toto křížení produkuje různé klinické znaky, včetně častých onemocnění, jako je talasémie a autismus..

Aplikace rekombinace

Molekulární biologové využili znalostí mechanismu homologní rekombinace pro tvorbu různých technologií. Jeden z nich umožňuje tvorbu organismů.knockout".

Tyto geneticky modifikované organismy umožňují objasnit funkci požadovaného genu.

Jedna z metodik pro tvorbu knockouty spočívá v potlačení exprese specifického genu nahrazujícího původní gen modifikovanou nebo "poškozenou" verzí. Gen je zaměněn za mutovanou verzi pomocí homologní rekombinace.

Jiné typy rekombinace

Kromě homologní nebo legitimní rekombinace existují i ​​jiné typy výměny genetického materiálu.

Když oblasti DNA, které vyměňují materiál, nejsou alelické (homologních chromozomů), výsledkem je duplikace nebo redukce genů. Tento proces je známý jako nehomologní rekombinace nebo nerovnoměrná rekombinace.

Genetický materiál může být také vyměněn mezi sesterskými chromatidy stejného chromozomu. Tento proces se vyskytuje jak v meiotickém tak v mitotickém dělení a nazývá se nerovnoměrnou výměnou.

Odkazy

  1. Baker, T. A., Watson, J. D., & Bell, S. P. (2003). Molekulární biologie genu. Vydavatelství Benjamin-Cummings.
  2. Devlin, T. M. (2004). Biochemie: učebnice s klinickými aplikacemi. Obrátil jsem se.
  3. Jasin, M., & Rothstein, R. (2013). Oprava zlomů provazců homologní rekombinací. Cold Spring Harbor perspektivy v biologii, 5(11), a012740.
  4. Li, X., & Heyer, W. D. (2008). Homologní rekombinace v DNA opravě a toleranci poškození DNA. Buněčný výzkum, 18(1), 99-113.
  5. Murray, P. R., Rosenthal, K.S., & Pfaller, M.A. (2017). Lékařská mikrobiologie. Elsevier Health Sciences.
  6. Nussbaum, R. L., McInnes, R. R., & Willard, H. F. (2015). Thompson a Thompson genetika v medicíně e-kniha. Elsevier Health Sciences.
  7. Virgili, R. O., & Taboada, J. M. V. (2006). Lidský genom: nové pokroky ve výzkumu, diagnostice a léčbě. Edicions Universitat Barcelona.