Typy i mechanizmy rekombinacji genetycznej



The rekombinacja genetyczna jest procesem, w którym cząsteczki kwasu nukleinowego wymieniają fragmenty generujące nową cząsteczkę. Jest bardzo powszechny w DNA, ale RNA jest również substratem do rekombinacji. Rekombinacja jest, po mutacji, najważniejszym źródłem generowania zmienności genetycznej.

DNA uczestniczy w różnych procesach biochemicznych. Podczas replikacji służy jako szablon do generowania dwóch nowych cząsteczek DNA. W transkrypcji umożliwia generowanie cząsteczek RNA z określonych regionów kontrolowanych przez promotor.

Ale oprócz tego DNA jest również zdolne do wymiany fragmentów. Dzięki temu procesowi powstają nowe kombinacje, które nie są produktem dwóch poprzednich procesów ani zapłodnienia.

Każdy proces rekombinacji obejmuje rozbijanie i wiązanie cząsteczek DNA zaangażowanych w proces. Mechanizm ten różni się w zależności od tego, który substrat jest rekombinowany, enzymy zaangażowane w proces i mechanizm jego wykonania.

Rekombinacja na ogół zależy od istnienia regionów komplementarnych, podobnych (jeśli nie identycznych) lub homologicznych między cząsteczkami rekombinującymi. W przypadku, gdy rekombinują cząsteczki w procesach nie kierowanych przez homologię, mówi się, że rekombinacja nie jest homologiczna.

Jeśli homologia obejmuje bardzo krótki region obecny w obu cząsteczkach, mówi się, że rekombinacja jest specyficzna dla miejsca.

Indeks

  • 1 Definicja
    • 1.1 Chiasm i sieciowanie
  • 2 Rodzaje rekombinacji genetycznej
    • 2.1-Rekombinacja specyficzna dla miejsca
    • 2.2-Rekombinacja homologiczna
    • 2.3 - Rekombinacja niehomologiczna
  • 3 Znaczenie rekombinacji
    • 3.1 Znaczenie jako przyczyna: replikacja i naprawa DNA
    • 3.2 Znaczenie w konsekwencji: generowanie zmienności genetycznej
    • 3.3 Rekombinacja i zdrowie
  • 4 odniesienia

Definicja

To, co nazywamy homologią w rekombinacji, niekoniecznie odnosi się do ewolucyjnego pochodzenia uczestniczących cząsteczek. Mówimy więcej o stopniu podobieństwa w sekwencji nukleotydów.

Rekombinacja nie reparacyjna, na przykład, występuje u eukariontów podczas procesu mejozy. Niewątpliwie nie może być większej homologii niż pomiędzy parami chromosomów w tej samej komórce.

Dlatego nazywane są chromosomami homologicznymi. Istnieją jednak przypadki, w których DNA komórki wymienia materiał z obcym DNA. Te DNA muszą być bardzo podobne do rekombinacji, ale niekoniecznie muszą mieć tego samego przodka (homologię), aby to osiągnąć.

Chiasm i sieciowanie

Miejsce zrostu i wymiany między dwiema cząsteczkami DNA nazywa się chiasm, a proces jako taki, sieciowanie. Podczas krzyżowania weryfikowana jest wymiana pasm pomiędzy uczestniczącymi DNA.

Generuje to kointegrat, które są dwiema cząsteczkami DNA fizycznie zjednoczonymi w jednym. Gdy kointegrat jest „rozwiązany”, generowane są dwie cząsteczki, ogólnie zmienione (rekombinowane).

„Rozwiąż”, w kontekście rekombinacji, polega na oddzieleniu składników kointegratu od cząsteczek DNA.

Rodzaje rekombinacji genetycznej

-Rekombinacja specyficzna dla miejsca

W rekombinacji specyficznej dla miejsca dwie cząsteczki DNA, ogólnie niehomologiczne, mają krótką sekwencję wspólną dla obu. Ta sekwencja jest ukierunkowana przez specyficzny enzym splicingowy.

Enzym zdolny do rozpoznawania tej sekwencji, a nie innej, tnie ją w określonym miejscu w obu cząsteczkach. Przy pomocy innych czynników wymienia pasma DNA dwóch uczestniczących cząsteczek i tworzy kointegrat.

Escherichia coli i lambda

Jest to podstawa powstawania kointegratu między genomem bakterii Escherichia coli i bakteriofaga lambda. Bakteriofag to wirus zakażający bakterie.

Tworzenie się tego kointegratu odbywa się za pomocą enzymu zakodowanego w genomie wirusa: integrazy lambda. To rozpoznaje wspólną sekwencję o nazwie attP w okrągłym genomie wirusa i attB w bakterii.

Cięcie obu sekwencji w obu cząsteczkach generuje wolne segmenty, wymienia pasma i łączy dwa genomy. Powstaje większy krąg lub ulega kointegracji.

W kointegrowanym genomie wirusa jest pasywnie przenoszony przez genom bakteryjny, z którym się replikuje. W tym stanie mówi się, że wirus jest w stanie prowirusa i że bakteria jest lizogenna dla tego samego.

Proces odwrotny, to znaczy zintegrowana rozdzielczość, może trwać wiele pokoleń - a nawet nie wystąpić. Jednakże, jeśli zostanie to zrobione, pośredniczy enzymatycznie inne białko kodowane przez genom wirusa zwany excisionasa. Gdy to nastąpi, wirus oddziela się od kointegratu, reaktywuje i powoduje lizę komórek.

-Rekombinacja homologiczna

Uogólniona rekombinacja

Rekombinacja homologiczna jest weryfikowana między cząsteczkami DNA, które dzielą co najmniej 40 nukleotydów o całkowitym lub prawie całkowitym podobieństwie. W celu przeprowadzenia procesu rekombinacji musi uczestniczyć co najmniej jedna endonukleaza.

Endonukleazy są enzymami, które generują wewnętrzne cięcia w DNA. Niektórzy robią to, aby degradować DNA. Inne, podobnie jak w przypadku rekombinacji, robią to, aby wytworzyć wgniecenie w DNA.

Ten unikalny nick pozwala na przetwarzanie pojedynczego pasma DNA z wolnym końcem. Ten wolny koniec, kierowany przez rekombinazę, umożliwia pojedynczemu pasmu inwazję podwójnego DNA przez przemieszczenie pasma rezydentnego identycznego z nim.

To jest punkt przejścia między cząsteczką DNA dawcy („najeźdźcą”) a innym biorcą.

Enzym (rekombinaza), który przeprowadza proces inwazji i wymiany pasm Escherichia coli nazywa się RecA. Istnieją inne homologiczne białka u prokariotów, takie jak RadA w archeonach. U eukariontów ekwiwalentny enzym nazywany jest RAD51.

Gdy gang inwazyjny zastąpi rezydenta, oddziałuje on z pasmem, które pozostało proste w cząsteczce dawcy. Oba punkty są zapieczętowane przez działanie ligazy.

Mamy teraz DNA z pasm hybrydowych (pasmo dawcy i pasmo receptora, różnego pochodzenia) oflankowane DNA dawcy i DNA biorcy. Przejścia (chiasmas) poruszają się w obu kierunkach co najmniej 200 pb.

Każdy punkt sieciowania tworzy tak zwaną strukturę Holliday (krzyżowy DNA wynikający z zdarzenia rekombinacji).

Ten krzyżowy DNA musi zostać rozdzielony przez inne endonukleazy. Hybrydowy lub chimeryczny DNA tej struktury można rozwiązać na dwa sposoby. Jeśli drugie cięcie endonukleotydowe nastąpi w tym samym paśmie, w którym wystąpiło pierwsze, rekombinacja nie jest generowana. Jeśli drugie cięcie występuje w drugim paśmie, powstałe produkty są rekombinowane.

Rekombinacja V (D) J

Jest to rodzaj rekombinacji somatycznej (nie mejotycznej), która przyczynia się do generowania ogromnej zmienności przeciwciał układu odpornościowego.

Ta rekombinacja jest weryfikowana w szczególności w fragmentach genów kodujących łańcuchy polipeptydowe, które je definiują. Jest przeprowadzana przez komórki B i obejmuje różne regiony genetyczne.

Co ciekawe, są takie pasożyty Trypanosoma brucei które wykorzystują podobny mechanizm rekombinacji do tworzenia zmienności antygenu powierzchniowego. W ten sposób mogą uniknąć odpowiedzi gospodarza, jeśli nie uda mu się wytworzyć przeciwciała zdolnego do rozpoznania „nowego” antygenu..

-Rekombinacja niehomologiczna

Wreszcie, istnieją procesy rekombinacji, które nie zależą od podobieństwa sekwencji uczestniczących cząsteczek. W eukariotach jest bardzo ważne, na przykład, rekombinacja końców niehomologicznych.

Dzieje się tak w przypadku fragmentów DNA, które mają podwójne pęknięcia w DNA. Są one „naprawiane” przez komórkę łączącą je z innymi fragmentami równo z pęknięciami podwójnego pasma.

Jednakże cząsteczki te niekoniecznie muszą być podobne, aby uczestniczyć w tym procesie rekombinacji. To znaczy, naprawiając uszkodzenie, komórka może wiązać niepowiązane DNA, tworząc naprawdę nową (rekombinowaną) cząsteczkę. 

Znaczenie rekombinacji

Znaczenie jako przyczyna: replikacja i naprawa DNA

Rekombinacja gwarantuje wierność informacji DNA podczas i po procesie replikacji. Rekombinacja wykrywa uszkodzenia DNA podczas procesu tworzenia nowych pasm w tej niezwykle długiej makrocząsteczce.

Ponieważ każde pasmo ma swoją własną informację, a także jej dopełnienie, rekombinacja gwarantuje, że żadna nie zostanie utracona. Każdy działa jako świadek dla drugiego. Podobnie, w organizmach diploidalnych, chromosom homologiczny jest świadkiem jego brata i odwrotnie.

Z drugiej strony, po replikacji DNA, mechanizmy naprawy uszkodzeń tej cząsteczki są zróżnicowane. Niektóre są bezpośrednie (działają bezpośrednio na uraz), a inne są pośrednie.

Mechanizmy naprawy pośredniej zależą od przeprowadzenia rekombinacji. Oznacza to, że w celu naprawy uszkodzenia w jednej cząsteczce DNA stosuje się inną homologiczną cząsteczkę. Działałoby to w rekombinacji naprawczej jako forma, która uległa uszkodzeniu.

Znaczenie w konsekwencji: generowanie zmienności genetycznej

Rekombinacja jest zdolna do tworzenia ogromnej zmienności chromosomalnej podczas mejozy. Rekombinacja somatyczna generuje również zmienność, jak w przypadku przeciwciał u kręgowców.

W wielu organizmach mejoza jest gamética. W organizmach z rozmnażaniem płciowym rekombinacja okazuje się jednym z najpotężniejszych sposobów generowania zmienności.

Oznacza to, że do spontanicznej mutacji i segregacji chromosomów konieczne jest dodanie rekombinacji jako innego elementu generującego zmienność gamet.

Z drugiej strony integracja genomów bakteriofagów przez rekombinację specyficzną dla miejsca przyczyniła się do przebudowy genomu ich bakterii gospodarza.

Przyczyniło się to do powstania zmienności genomicznej i ewolucji tej ważnej grupy istot żywych.

Rekombinacja i zdrowie

Widzieliśmy już, że DNA można naprawić, ale nie to, co go niszczy. Właściwie prawie wszystko może uszkodzić DNA, zaczynając od wadliwej replikacji, która nie została naprawiona.

Ale poza tym DNA może zostać uszkodzone przez światło UV, promieniowanie jonizujące, wolne rodniki tlenowe będące produktem oddychania komórkowego i to, co jemy, palimy, oddychamy, jemy lub dotykamy.

Na szczęście nie musisz rezygnować z życia, aby chronić DNA. Trzeba wyrzec się pewnych rzeczy, ale wielką pracę wykonuje sama komórka. Te mechanizmy wykrywania uszkodzeń DNA i ich naprawy mają oczywiście podłoże genetyczne, a ich niedobór, ogromne konsekwencje.

Choroby związane z defektami rekombinacji homologicznej obejmują, na przykład, zespoły Blooma i Wernera, rodzinny rak piersi i jajników itp..

Referencje

  1. Alberts, B., Johnson, A.D., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (wydanie 6). W. W. Norton & Company, Nowy Jork, NY, USA.
  2. Bell, J.C., Kowalczykowski, S.C. (2016) Mechanika i jedno-cząsteczkowe badanie rekombinacji DNA. Annual Review of Biochemistry, 85: 193-226.
  3. Prado, F. () Homologiczna rekombinacja: To Fork and Beyond. Geny, doi: 10.3390 / genes9120603
  4. Griffiths, A.J.F., Wessler, R., Carroll, S.B., Doebley, J. (2015). An Introduction to Genetic Analysis (11 wyd.). Nowy Jork: W. H. Freeman, Nowy Jork, NY, USA.
  5. Tock, A.J., Henderson, I.R. (2018) Hotspoty do inicjacji rekombinacji mejotycznej. Frontiers in Genetics, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
  6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) A Prophages in Salmonella enterica: siła napędowa w przekształcaniu genomu i fizjologii ich gospodarza bakteryjnego? Molecular Microbiology, doi: 10.1111 / mmi.14167.
  7. Wright, W. D., Shah, S., Heyer, W. D. (2018) Homologiczna rekombinacja i naprawa DNA w podwójnych niciach. Journal of Biological Chemistry, 293: 10524-10535