HOMOLOG REKOMBINASJON: FUNKSJONER, MEKANISME OG APPLIKASJONER - BIOLOGI - 2025

Den homologe rekombinasjonen er en prosess som involverer utveksling av DNA-molekyler mellom lignende eller identiske deler av genomet. Celler bruker homolog rekombinasjon hovedsakelig for å reparere pauser i genetisk materiale, og genererer genetisk variasjon i populasjoner.

Generelt innebærer homolog rekombinasjon den fysiske sammenkoblingen mellom homologe områder av arvestoffet, etterfulgt av brudd på kjedene som skal gjennomgå utveksling, og til slutt forening av de nye kombinerte DNA-molekylene.

Rekombinasjon mellom to homologe kromosomer.
Kilde: Emw

Breaks i DNA må repareres så raskt og effektivt som mulig. Når skadene ikke blir reparert, kan konsekvensene være alvorlige og til og med dødelige. Hos bakterier er hovedfunksjonen til homolog rekombinasjon å reparere disse pausene i arvestoffet.

Homolog rekombinasjon regnes som en av de viktigste mekanismene som tillater stabiliteten i genomet. Den er til stede i alle livets domener og til og med i virus, så det er antagelig en viktig mekanisme som dukket opp veldig tidlig i livets utvikling.

Historisk perspektiv

Et av de mest relevante prinsippene foreslått av Gregor Mendel består av uavhengighet i segregeringen av karakterer. I henhold til denne loven overføres de forskjellige genene fra foreldre til barn uavhengig av hverandre.

Imidlertid var eksistensen av veldig markerte unntak fra dette prinsippet i 1900 tydelig. De engelske genetikerne Bateson og Punnett viste at mange ganger arves visse egenskaper sammen, og for disse trekkene har prinsippet som Mendel har gitt uttrykk for, ingen gyldighet.

Påfølgende forskning klarte å belyse eksistensen av rekombinasjonsprosessen, der celler var i stand til å utveksle genetisk materiale. I tilfeller hvor genene arvet sammen, ble ikke DNA utvekslet på grunn av den fysiske nærheten mellom genene.

Hva er homolog rekombinasjon?

Homolog rekombinasjon er et cellulært fenomen som involverer fysisk utveksling av DNA-sekvenser mellom to kromosomer. Rekombinasjon innebærer et sett med gener kjent som rec gener. Disse koder for forskjellige enzymer som deltar i prosessen.

DNA-molekyler anses som "homologe" når de deler lignende eller identiske sekvenser på mer enn 100 basepar. DNA har små regioner som kan skille seg fra hverandre, og disse variantene er kjent som alleler.

I levende ting regnes alt DNA som rekombinant DNA. Utvekslingen av genetisk materiale mellom kromosomer skjer kontinuerlig, og blander og omorganiserer genene på kromosomene.

Denne prosessen skjer åpenbart i meiose. Spesielt i fasen der kromosomer pares sammen i den første celledelingen. I dette stadiet skjer utvekslingen av genetisk materiale mellom kromosomer.

Historisk sett er denne prosessen utpekt i litteraturen ved bruk av det angelsaksiske ordet kryssing av. Denne hendelsen er et av resultatene av homolog rekombinasjon.

Hyppigheten av kryssing mellom to gener av samme kromosom avhenger hovedsakelig av avstanden som finnes mellom dem; jo mindre den fysiske avstanden mellom dem er, jo lavere utvekslingsfrekvens.

Funksjoner og konsekvenser av homolog rekombinasjon

Genetisk materiale blir konstant utsatt for skade, forårsaket av endogene og eksogene kilder, som for eksempel stråling.

Menneskelige celler anslås å ha et betydelig antall DNA-lesjoner, i størrelsesorden titalls til hundrevis per dag. Disse lesjonene må repareres for å unngå potensielle skadelige mutasjoner, replikasjons- og transkripsjonsblokker og skader på kromosomnivå.

Fra medisinsk synspunkt fører DNA-skader som ikke er reparert riktig til utvikling av svulster og andre patologier.

Homolog rekombinasjon er en hendelse som tillater DNA-reparasjon, som tillater utvinning av tapte sekvenser, ved bruk av den andre (homologe) DNA-strengen som mal.

Denne metabolske prosessen er til stede i alle livsformer, og gir en høy-troskapsmekanisme som gjør det mulig å reparere "gap" i DNA, dobbeltstrengede brudd og tverrbindinger mellom DNA-tråder.

En av de mest relevante konsekvensene av rekombinasjon er generasjonen av ny genetisk variasjon. Sammen med mutasjoner er de de to prosessene som genererer variasjon i levende vesener - husk at variasjon er råstoffet for evolusjon.

I tillegg gir den en mekanisme for å tilbakestille repliseringsgaffler som er blitt ødelagt.

I bakterier

Hos bakterier er det ofte horisontale genoverføringshendelser. Disse er klassifisert som konjugering, transformasjon og transduksjon. Her tar prokaryoter DNA fra en annen organisme, og til og med fra forskjellige arter.

Under disse prosessene skjer homolog rekombinasjon mellom mottakercellen og givercellen.

Mekanisme

Homolog rekombinasjon begynner med brudd i en av strengene til det kromosomale DNA-molekylet. Etter dette forekommer en serie trinn katalysert av flere enzymer.

3'-enden der kuttet skjer invaderes av den homologe dobbeltstrengen med DNA. Invasjonsprosessen er avgjørende. Med "homolog kjede" mener vi delene av kromosomene som har samme gener i en lineær rekkefølge, selv om nukleotidsekvensene ikke trenger å være identiske.

synapse

Denne invasjonen av strengen plasserer homologe kromosomer som vender mot hverandre. Dette fenomenet med å møte tråder kalles synapse (for ikke å forveksle med synapsen i nevroner, her brukes begrepet med en annen betydning).

Synapsen innebærer ikke nødvendigvis en direkte kontakt mellom begge homologe sekvenser, DNA kan fortsette å bevege seg en stund til den finner den homologe delen. Denne søkeprosessen kalles homolog justering.

D-loop formasjon

Deretter oppstår en hendelse som kalles "strandinvasjon". Et kromosom er en dobbel helix av DNA. I homolog rekombinasjon leter to kromosomer etter sine homologe sekvenser. I en av helixene skiller strengene seg, og denne tråden "invaderer" den doble helixstrukturen, og danner strukturen som kalles D-løkken.

D-sløyfetråden er blitt fortrengt av invasjonen av bruddstrengen og parvis med den komplementære strengen til den opprinnelige doble helixen.

Holliday veikryssformasjon

Neste trinn er dannelsen av Holliday-fagforeningene. Her er endene av de utvekslede strengene bundet sammen. Denne foreningen har muligheten til å bevege seg i alle retninger. Fugen kan knekke og danne seg flere ganger.

Den siste prosessen med rekombinasjon er oppløsningen av disse fagforeningene, og det er to måter eller måter cellen oppnår dette på. En av dem er spaltning av foreningen eller ved en prosess som kalles oppløsning, typisk for eukaryote organismer.

I den første mekanismen regenererer de to kjedene ved å bryte Holliday-krysset. I den andre hendelsen om "oppløsning" oppstår en slags kollaps i forbundet.

Proteiner involvert

Et viktig protein i rekombinasjonsprosessen kalles Rad51 i eukaryote celler, og RecA i Escherichia coli. Det fungerer i de forskjellige faser av rekombinasjon: før, under og etter synapse.

Rad51-proteinet letter dannelsen av den fysiske forbindelsen mellom det invaderende DNA og det tempererte DNA. I denne prosessen genereres heteroduplex DNA.

Rad51, og dets RecA-motstykke, katalyserer søket etter homologt DNA og utveksling av DNA-tråder. Disse proteinene har evnen til å samarbeide bindende til enkeltbånd-DNA.

Det er også paraloge gener (som stammer fra gentuplikasjonshendelser i en avstamning av organismer) av Rad51, kalt Rad55 og Rad57. Hos mennesker er fem Rad51 paraloggener blitt identifisert kalt Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 og Xrcc3.

Anomalier forbundet med rekombinasjonsprosesser

Siden rekombinasjon krever fysisk binding til kromosomer, er det et avgjørende trinn i riktig segregering under meiose. Hvis riktig rekombinasjon ikke forekommer, kan resultatet være hovedpatologi.

Nondisjunksjon av kromosomer eller feil i segregering er en av de hyppigste årsakene til spontanaborter og unormaliteter av kromosomalt opphav, for eksempel trisomi av kromosom 21, som forårsaker Downs syndrom.

Selv om rekombinasjon vanligvis er en ganske presis prosess, er regioner i genomet som blir gjentatt og gener som har flere kopier gjennom genomet, utsatt for ujevn crossover.

Denne avlen gir forskjellige klinisk relevante egenskaper, inkludert vanlige sykdommer som thalassemia og autisme.

Rekombinasjonsapplikasjoner

Molekylære biologer har utnyttet kunnskapen om mekanismen for homolog rekombinasjon for å skape forskjellige teknologier. En av disse gjør det mulig å skape "knockout" -organismer.

Disse genmodifiserte organismer gjør det mulig å belyse funksjonen til et gen av interesse.

En av metodene som er brukt for å lage knockouts består av undertrykkelse av ekspresjonen av det spesifikke genet ved å erstatte det originale genet med en modifisert eller "skadet" versjon. Genet byttes ut mot den muterte versjonen ved hjelp av homolog rekombinasjon.

Andre typer rekombinasjoner

Foruten homolog eller legitim rekombinasjon, er det andre typer utveksling av genetisk materiale.

Når regionene av DNA som utveksler materiale er ikke-alleliske (homologe kromosomer), er resultatet duplisering eller reduksjon av gener. Denne prosessen er kjent som ikke-homolog rekombinasjon eller ulik rekombinasjon.

Til sammen kan også genetisk materiale byttes mellom søsterkromatider på samme kromosom. Denne prosessen forekommer i både meiotisk og mitotisk inndeling, og kalles ulik utveksling.

referanser

1. Baker, TA, Watson, JD, & Bell, SP (2003). Molekylærbiologi av genet. Benjamin-Cummings forlagsselskap.
2. Devlin, TM (2004). Biokjemi: lærebok med kliniske applikasjoner. Jeg snudde meg.
3. Jasin, M., & Rothstein, R. (2013). Reparasjon av trådbrudd ved homolog rekombinasjon. Cold Spring Harbor-perspektiver i biologi, 5 (11), a012740.
4. Li, X., & Heyer, WD (2008). Homolog rekombinasjon i DNA-reparasjon og DNA-skade toleranse. Celleforskning, 18 (1), 99-113.
5. Murray, PR, Rosenthal, KS, & Pfaller, MA (2017). Medisinsk mikrobiologi. Elsevier Health Sciences.
6. Nussbaum, RL, McInnes, RR, & Willard, HF (2015). Thompson & Thompson genetikk i medisinens e-bok. Elsevier Health Sciences.
7. Virgili, RO, & Taboada, JMV (2006). Menneskelig genom: nye fremskritt innen forskning, diagnose og behandling. Utgaver Universitat Barcelona.