GENETICKÁ REKOMBINACE: TYPY A MECHANISMY - BIOLOGIE - 2025

Genetická rekombinace je proces, při kterém molekuly fragmentů nukleových kyselin vyměnil generování nové molekuly. V DNA je velmi běžný, ale RNA je také substrátem pro rekombinaci. Rekombinace je po mutaci nejdůležitějším zdrojem generování genetické variability.

DNA se účastní různých biochemických procesů. Během replikace slouží jako šablona pro generování dvou nových molekul DNA. V transkripci umožňuje generovat molekuly RNA ze specifických oblastí kontrolovaných promotorem.

Obecné kroky rekombinace DNA. Juergen Bode, přes Wikimedia Commons

Ale kromě toho je DNA také schopna vyměňovat fragmenty. Prostřednictvím tohoto procesu generuje nové kombinace, které nejsou produktem obou předchozích procesů, ani oplodnění.

Celý proces rekombinace zahrnuje rozbití a spojení molekul DNA, které se na tomto procesu podílejí. Tento mechanismus se liší v závislosti na rekombinantním substrátu, enzymech, které se účastní procesu, a mechanismu jeho provádění.

Rekombinace obecně závisí na existenci komplementárních, podobných (pokud ne identických) nebo homologních oblastí mezi rekombinantními molekulami. V případě, že molekuly se rekombinují v procesech, které nejsou vedeny homologií, je rekombinace považována za nehomologní.

Pokud homologie zahrnuje velmi krátkou oblast přítomnou v obou molekulách, považuje se rekombinace za místně specifickou.

Definice

To, čemu říkáme homologie v rekombinaci, nemusí nutně odkazovat na evoluční původ zúčastněných molekul. Spíše mluvíme o stupni podobnosti v nukleotidové sekvenci.

Nereparativní rekombinace se například vyskytuje v eukaryotech během procesu meiózy. Nepochybně nemůže existovat větší homologie než mezi páry chromozomů ve stejné buňce.

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

Chiasm a crossover

Místo připojení a výměny mezi dvěma molekulami DNA se nazývá chiasm a samotný proces se nazývá zesítění. Během křížení je ověřena výměna pásma mezi zúčastněnými DNA.

Tím se vytvoří kointegrát, což jsou dvě molekuly DNA fyzicky spojené do jedné. Když se kointegrát "rozdělí", vytvoří se dvě molekuly, obvykle se změní (rekombinantní).

"Řešit" v rámci rekombinace znamená oddělení molekul DNA složky kointegrátu.

Druhy genetické rekombinace

-Specifická rekombinace

Při místně specifické rekombinaci mají dvě molekuly DNA, obvykle ne homologní, krátkou sekvenci společnou oběma. Tato sekvence je cílem specifického sestřihového enzymu.

Enzym, který je schopen rozeznat tuto sekvenci a ne jinou, ji rozštěpí na konkrétním místě obou molekul. S pomocí některých dalších faktorů zamění pásy DNA dvou zúčastněných molekul a vytvoří kointegrát.

Escherichia coli

Toto je základ pro tvorbu kointegrátu mezi genomem bakterie Escherichia coli a genem bakteriofága lambda. Bakteriofág je virus, který infikuje bakterie.

Tvorba tohoto kointegrátu je prováděna enzymem kódovaným ve virovém genomu: lambda integráza. Rozpoznává běžnou sekvenci zvanou attP v cirkulárním genomu viru a attB v bakterii.

Řezáním obou sekvencí v obou molekulách se vytvoří volné segmenty, zamění se pásy a spojí se dva genomy. Pak se vytvoří větší nebo kointegrovaná kružnice.

Při kointegraci je genom viru pasivně nesen bakteriálním genomem, s nímž se replikuje. V tomto stavu se říká, že virus je ve stavu viru a že pro něj je bakterie lysogenní.

Proces obrácení, tj. Rozlišení kointegrátu, může trvat mnoho generací - nebo dokonce nenastane. To je však enzymaticky zprostředkováno dalším proteinem kódovaným virovým genomem zvaným excisionáza. Pokud k tomu dojde, virus se oddělí od kointegrátu, reaktivuje a způsobí lýzu buněk.

-Homologní rekombinace

Generalizovaná rekombinace

K homologní rekombinaci dochází mezi molekulami DNA, které sdílejí alespoň asi 40 nukleotidů úplné nebo téměř úplné podobnosti. K provedení rekombinačního procesu musí být zapojena alespoň jedna endonukleáza.

Endonukleázy jsou enzymy, které dělají vnitřní řezy v DNA. Někteří to dělají, aby degradovali DNA. Jiní, jako v případě rekombinace, to dělají tak, že vytvoří DNA v DNA.

Tento jedinečný nick umožňuje zpracování jednokopové DNA s volným koncem. Tento volný konec, orientovaný rekombinázou, umožňuje, aby jediný pás napadl dvojitou DNA a vytlačil tak rezidentní pás.

Toto je přechodový bod mezi donorovou ("útočníkovou") DNA molekulou a jiným receptorem.

Enzym (rekombináza), který provádí invazi a proces výměny pásů v Escherichia coli, se nazývá RecA. V prokaryotech jsou další homologní proteiny, jako je RadA v archaea. V eukaryotech se ekvivalentní enzym nazývá RAD51.

Jakmile invazivní pásmo přemístí obyvatele, interaguje s pruhem, který byl v donorové molekule jednoduchý. Obě místa jsou utěsněna působením ligázy.

Nyní máme hybridní DNA DNA (dárcovská skupina a přijímací skupina různého původu) lemovaná dárcovskou DNA a příjemcovskou DNA. Body přechodu (chiasmata) se pohybují v obou směrech nejméně o 200 bp.

Každý bod křížení tvoří tzv. Strukturu Holliday (křížový DNA produkt rekombinace).

Tato křížová DNA musí být vyřešena jinými endonukleázami. Chimérická nebo hybridní DNA této struktury může být rozlišena dvěma způsoby. Pokud se druhý endonukleotidový výřez objeví ve stejném pruhu jako první, nenastane žádná rekombinace. Pokud se druhý řez vyskytne v druhém pásu, výsledné produkty jsou rekombinantní.

Rekombinantní DNA ve struktuře Holliday. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Mao-4armjunction-schematic.png.

Rekombinace V (D) J

Jedná se o typ somatické rekombinace (ne meiotické), která přispívá k vytvoření obrovské změny protilátek imunitního systému.

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

Je zajímavé, že existují parazity, jako je Trypanosoma brucei, které používají podobný rekombinační mechanismus k vytvoření variability povrchového antigenu. Tímto způsobem se mohou vyhnout odpovědi hostitele, pokud hostitel nevytvoří protilátku schopnou rozpoznat "nový" antigen.

Rozmanitost protilátek vytvořených rekombinací. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Cambio_clase_recombinacion.PNG

-Ne homologní rekombinace

Konečně existují rekombinační procesy, které nezávisí na podobnosti v sekvenci zúčastněných molekul. Například v eukaryotech je velmi důležitá rekombinace nehomologických konců.

K tomu dochází u fragmentů DNA, které vykazují dvojité zlomení pásů v DNA. Ty jsou „opraveny“ tím, že je buňka spojuje s jinými fragmenty také s dvojitým přerušením pásma.

Tyto molekuly však nemusí být nutně podobné, aby se mohly účastnit tohoto procesu rekombinace. To znamená, že opravou poškození se může buňka spojit s nepříbuznými DNA, čímž se vytvoří skutečně nová (rekombinantní) molekula.

Význam rekombinace

Význam jako příčina: replikace a opravy DNA

Rekombinace zajišťuje věrnost informací o DNA během a po procesu replikace. Rekombinace detekuje poškození DNA během nového procesu pruhování v této extrémně dlouhé makromolekule.

Protože každé pásmo má své vlastní informace a informace o své komplementární, rekombinace zaručuje, že žádná není ztracena. Každý působí jako svědek druhého. Podobně u diploidních organismů je homologní chromozom svědkem jeho sourozence a naopak.

Na druhou stranu, jakmile je DNA replikována, mechanismy poškození opravy této molekuly se mění. Některé z nich jsou přímé (zranění je způsobeno přímo) a jiné jsou nepřímé.

Nepřímé opravné mechanismy závisí na provedené rekombinaci. To znamená, že k opravě poškození molekuly DNA se používá jiná homologní molekula. To by fungovalo v reparativní rekombinaci jako šablony, z níž by došlo k poškození.

Důsledek: generování genetické variability

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

U mnoha organismů je meiosa gametická. U pohlavně se rozmnožujících organismů se rekombinace ukazuje jako jeden z nejúčinnějších způsobů, jak generovat variabilitu.

To znamená, že k spontánní mutaci a segregaci chromozomů musí být rekombinace přidána jako další prvek, který generuje gametovou variabilitu.

Na druhé straně integrace genomu bakteriofága místně specifickou rekombinací přispěla k remodelaci genomu jejich hostitelských bakterií.

To přispělo ke generování genomické variability a evoluce této důležité skupiny živých bytostí.

Rekombinace a zdraví

Už jsme viděli, že DNA může být opravena, ale ne to, co ji poškodí. Ve skutečnosti může DNA poškodit téměř cokoli, počínaje vadnou replikací, která je neopravená.

Ale kromě toho může být DNA poškozena UV zářením, ionizujícím zářením, volnými kyslíkovými radikály produkovanými buněčným dýcháním a tím, co jíme, kouříme, dýcháme, přijímáme nebo se dotýkáme.

Naštěstí se nemusíte vzdát života, abyste chránili DNA. Určité věci se musí vzdát, ale velkou práci vykonává samotná buňka. Tyto mechanismy pro detekci poškození DNA a její opravy mají zjevně genetický základ a jejich nedostatek, obrovské následky.

Mezi nemoci související s defekty homologní rekombinace patří například Bloom a Wernerovy syndromy, familiární rakovina prsu a vaječníků atd.

Reference

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6. vydání). WW Norton & Company, New York, NY, USA.
2. Bell, JC, Kowalczykowski, SC (2016) Mechanika a jednomolekulární vyšetřování DNA rekombinace. Annual Review of Biochemistry, 85: 193-226.
3. Prado, F. () Homologní rekombinace: Na rozcestí a dále. Geny, doi: 10,3390 / geny9120603
4. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). Úvod do genetické analýzy (11. vydání). New York: WH Freeman, New York, NY, USA.
5. Tock, AJ, Henderson, IR (2018) Hotspoty pro zahájení meiotické rekombinace. Frontiers in Genetics, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) Proroctví v Salmonella enterica: hnací síla při přetváření genomu a fyziologie jejich bakteriálního hostitele? Molecular Microbiology, doi: 10,1111 / mmi. 14167.
7. Wright, WD, Shah, SS, Heyer, WD (2018) Homologní rekombinace a oprava dvouřetězcových zlomů DNA. Journal of Biological Chemistry, 293: 10524-10535