GENETISK REKOMBINASJON: TYPER OG MEKANISMER - BIOLOGI - 2025

Den genetiske rekombinasjonen er prosessen der molekyler av nukleinsyrefragmenter byttes ut og genererer et nytt molekyl. Det er veldig vanlig i DNA, men RNA er også et underlag for rekombinasjon. Rekombinasjon er etter mutasjon den viktigste kilden til generasjon av genetisk variabilitet.

DNA deltar i forskjellige biokjemiske prosesser. Under replikering fungerer det som en mal for generering av to nye DNA-molekyler. Ved transkripsjon gjør det det mulig å generere RNA-molekyler fra spesifikke regioner kontrollert av en promotor.

De generelle trinnene for DNA-rekombinasjon. Juergen Bode, via Wikimedia Commons

Men i tillegg til dette er DNA også i stand til å utveksle fragmenter. Gjennom denne prosessen genererer den nye kombinasjoner som ikke er et produkt av de to foregående prosessene, og heller ikke av befruktning.

All rekombinasjonsprosess innebærer brudd og sammenføyning av DNA-molekylene som deltar i prosessen. Denne mekanismen varierer avhengig av rekombinasjonssubstratet, enzymene som deltar i prosessen og mekanismen for utførelse.

Rekombinasjon avhenger generelt av eksistensen av komplementære, lignende (hvis ikke identiske) eller homologe regioner mellom de rekombinerende molekylene. I tilfelle at molekyler rekombinerer i prosesser som ikke ledes av homologi, sies rekombinasjonen å være ikke-homolog.

Hvis homologien involverer en veldig kort region som er til stede i begge molekyler, sies rekombinasjonen å være stedsspesifikk.

Definisjon

Det vi kaller homologi i rekombinasjon, refererer ikke nødvendigvis til de deltagende molekylers evolusjonære opprinnelse. Snarere snakker vi om likhetsgraden i nukleotidsekvensen.

Ikke-reparativ rekombinasjon forekommer for eksempel i eukaryoter under meiose-prosessen. Utvilsomt kan det ikke være noen større homologi enn mellom kromosompar i samme celle.

Derfor kalles de homologe kromosomer. Imidlertid er det tilfeller der DNA fra en celle utveksler materiale med et fremmed DNA. Disse DNAene må være veldig like rekombinert, men de trenger ikke nødvendigvis dele den samme stamfaren (homologi) for å oppnå dette.

Chiasme og crossover

Nettstedet for tilknytning og utveksling mellom to DNA-molekyler kalles en chiasme, og selve prosessen kalles tverrbinding. Under overgangen blir en bandutveksling mellom de deltagende DNA-ene verifisert.

Dette genererer et cointegrat, som er to DNA-molekyler som er fysisk forenet til ett. Når kointegratet "oppløses", genereres to molekyler, vanligvis endret (rekombinant).

Å "løse", i forbindelse med rekombinasjon, er å skille komponentens DNA-molekyler i et kointegrat.

Typer genetisk rekombinasjon

-Site-spesifikk rekombinasjon

Ved stedsspesifikk rekombinasjon har to DNA-molekyler, vanligvis ikke homologe, en kort sekvens som er felles for begge. Denne sekvensen er målet for et spesifikt skjøteenzym.

Enzymet, som er i stand til å gjenkjenne denne sekvensen og ikke en annen, kutter det på et bestemt sted i begge molekyler. Ved hjelp av noen andre faktorer bytter den DNA-båndene til de to deltakende molekylene og danner et cointegrat.

Escherichia coli

Dette er grunnlaget for dannelsen av cointegratet mellom genomet til bakterien Escherichia coli og det til bakteriofagen lambda. En bakteriofag er et virus som infiserer bakterier.

Dannelsen av dette kointegratet utføres av et enzym kodet i virusgenomet: lambda integrase. Den gjenkjenner en vanlig sekvens kalt attP i virusets sirkulære genom, og attB i bakteriens sekvens.

Ved å kutte begge sekvensene i begge molekyler genererer det frie segmenter, bytter båndene og blir sammen med de to genomene. Deretter dannes en større eller kointegrert sirkel.

Ved cointegration bæres virusgenomet passivt av bakterien genom, som det replikeres med. I denne tilstanden sies det at viruset er i provirus-tilstanden, og at bakterien er lysogen for det.

Den omvendte prosessen, det vil si oppløsningen av cointegrate, kan ta mange generasjoner - eller til og med ikke forekomme. Å gjøre det er imidlertid enzymatisk formidlet av et annet protein som kodes av virusgenomet kalt excisionase. Når dette skjer, skiller viruset seg fra cointegratet, reaktiveres på nytt og forårsaker cellelysering.

-Homolog rekombinasjon

Generalisert rekombinasjon

Homolog rekombinasjon skjer mellom DNA-molekyler som deler minst rundt 40 nukleotider med fullstendig eller nesten fullstendig likhet. For å utføre rekombinasjonsprosessen må minst en endonuklease være involvert.

Endonukleaser er enzymer som gjør indre kutt i DNA. Noen gjør det for å fortsette å nedbryte DNA. Andre, som i tilfelle av rekombinasjon, gjør det for å generere en bukke i DNA.

Dette unike kallenavnet gjør det mulig å behandle et enkeltbånd-DNA med en fri ende. Denne frie ende, orientert av en rekombinase, gjør at et enkelt bånd kan invadere et dobbelt DNA, og fortrenge det gjenværende båndet identisk med det.

Dette er krysningspunktet mellom en donor ("inntrenger") DNA-molekyl og en annen reseptor.

Enzymet (rekombinase) som utfører invasjons- og båndutvekslingsprosessen i Escherichia coli kalles RecA. Det er andre homologe proteiner i prokaryoter, som RadA i archaea. I eukaryoter kalles det ekvivalente enzymet RAD51.

Når det invasive bandet fortrenger beboeren, samhandler det med bandet som var enkelt i donormolekylet. Begge steder er forseglet ved virkning av en ligase.

Nå har vi et DNA av hybridband (et donorband og et mottakerband, av forskjellig opprinnelse) flankert av donor-DNA og mottaker-DNA. Crossover-punktene (chiasmata) beveger seg i begge retninger med minst 200 bp.

Hvert punkt med overgang danner det som kalles Holliday-strukturen (korsformet DNA-produkt fra en rekombinasjonshendelse).

Dette korsformede DNA må løses av andre endonukleaser. Chimerisk eller hybrid DNA av denne strukturen kan løses på to måter. Hvis det andre endonukleotidsnittet skjer i samme bånd som det første, skjer ingen rekombinasjon. Hvis det andre snittet skjer i det andre båndet, er de resulterende produktene rekombinante.

Rekombinant DNA i Holliday-strukturen. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Mao-4armjunction-schematic.png.

Rekombinasjon V (D) J

Dette er en type somatisk rekombinasjon (ikke meiotisk) som bidrar til generasjonen i den enorme variasjonen av antistoffer i immunsystemet.

Denne rekombinasjonen finner sted spesielt fragmenter av genene som koder for polypeptidkjedene som definerer dem. Det utføres av B-celler og involverer forskjellige genetiske regioner.

Interessant er det parasitter som Trypanosoma brucei som bruker en lignende rekombinasjonsmekanisme for å skape variasjon i et overflateantigen. På denne måten kan de unndra seg responsen fra verten hvis verten ikke klarer å generere antistoffet som er i stand til å gjenkjenne det "nye" antigenet.

Mangfold av antistoffer opprettet ved rekombinasjon. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Cambio_clase_recombinacion.PNG

-Ingen homolog rekombinasjon

Til slutt er det rekombinasjonsprosesser som ikke er avhengig av likheten i sekvensen til de deltagende molekylene. I eukaryoter er for eksempel rekombinasjonen av ikke-homologe ender veldig viktig.

Dette skjer med DNA-fragmenter som viser dobbeltbåndbrudd i DNAet. Disse blir "reparert" ved at cellen forbinder dem til andre fragmenter også med dobbeltbåndbrudd.

Imidlertid trenger disse molekylene ikke nødvendigvis å være like for å delta i denne rekombinasjonsprosessen. Det vil si at ved å reparere skaden kan cellen gå sammen med ikke-relaterte DNA-er, og dermed skape et virkelig nytt (rekombinant) molekyl.

Betydningen av rekombinasjon

Viktigheten som årsak: DNA-replikering og reparasjon

Rekombinasjon sikrer fideliteten til DNA-informasjonen under og etter replikasjonsprosessen. Rekombinasjon oppdager DNA-skader under den nye båndprosessen i dette ekstremt lange makromolekylet.

Siden hvert band har sin egen informasjon og den komplementære, garanterer rekombinasjon at ingen går tapt. Hver fungerer som et vitne for den andre. Tilsvarende i diploide organismer er et homologt kromosom vitne til søsken og omvendt.

På den annen side, når DNA-en er blitt replikert, varieres mekanismene for reparasjonsskader på dette molekylet. Noen er direkte (skaden utøves direkte) og andre er indirekte.

Indirekte reparasjonsmekanismer er avhengige av at rekombinasjon skal finne sted. Det vil si for å reparere skadene i et DNA-molekyl, brukes et annet homologt molekyl. Dette vil fungere som reparativ rekombinasjon som en mal som den har fått skade på.

Betydningen som en konsekvens: generering av genetisk variabilitet

Rekombinasjon er i stand til å skape enorm kromosomvariabilitet under meiose. Somatisk rekombinasjon genererer også variabilitet, som for antistoffer i virveldyr.

I mange organismer er meiose gametisk. I seksuelt reproduserende organismer viser rekombinasjon seg å være en av de kraftigste måtene å generere variasjon på.

Det vil si, til spontan mutasjon og kromosomsegregasjon, må rekombinasjon legges til som et annet element som genererer gametisk variabilitet.

Integrasjonen av bakteriofaggener ved stedsspesifikk rekombinasjon har derimot bidratt til ombygging av genomet til vertsbakteriene deres.

Dette har bidratt til generasjonen av genomisk variabilitet og evolusjon av denne viktige gruppen av levende vesener.

Rekombinasjon og helse

Vi har allerede sett at DNA kan repareres, men ikke hva som skader det. I virkeligheten kan nesten hva som helst skade DNA, starter med feil replikasjon som går ukorrekt.

Men utover det kan DNA bli skadet av UV-lys, ioniserende stråling, frie oksygenradikaler produsert ved cellulær respirasjon, og hva vi spiser, røyker, puster, inntar eller berører.

Heldigvis trenger du ikke gi opp å leve for å beskytte DNA. Visse ting må gis opp, men det store arbeidet gjøres av selve cellen. Disse mekanismene for å oppdage skade på DNA, og reparere det, har åpenbart et genetisk grunnlag, og deres mangel, enorme konsekvenser.

Sykdommer relatert til defekter ved homolog rekombinasjon inkluderer for eksempel Bloom- og Werner-syndromer, familiær bryst- og eggstokkreft, etc.

referanser

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6. utgave). WW Norton & Company, New York, NY, USA.
2. Bell, JC, Kowalczykowski, SC (2016) Mekanikk og enkeltmolekylet avhør av DNA-rekombinasjon. Årlig gjennomgang av biokjemi, 85: 193-226.
3. Prado, F. () Homolog rekombinasjon: til gaffel og utover. Gener, doi: 10.3390 / gener9120603
4. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). En introduksjon til genetisk analyse (11. utg.). New York: WH Freeman, New York, NY, USA.
5. Tock, AJ, Henderson, IR (2018) Hotspots for Initiation of Meiotic Recombination. Frontiers in Genetics, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) A Prophages in Salmonella enterica: en pådriver for å omforme genomet og fysiologien til deres bakterievært? Molecular Microbiology, doi: 10.1111 / mmi.14167.
7. Wright, WD, Shah, SS, Heyer, WD (2018) Homolog rekombinasjon og reparasjon av DNA-dobbeltstrengsbrudd. Journal of Biologisk kjemi, 293: 10524-10535