HOMOLOGNÍ REKOMBINACE: FUNKCE, MECHANISMUS A APLIKACE - BIOLOGIE - 2025

Homologní rekombinace je proces, který zahrnuje výměnu molekul DNA mezi podobných nebo stejných úseků genomu. Buňky používají homologní rekombinaci hlavně k opravě zlomů v genetickém materiálu, čímž se generují genetické variace v populacích.

Homologní rekombinace obecně zahrnuje fyzické párování mezi homologními oblastmi genetického materiálu, následované přerušením řetězců, které se mají podrobit výměně, a nakonec spojení nových kombinovaných molekul DNA.

Rekombinace mezi dvěma homologními chromozomy.

Zdroj: Emw

Přerušení DNA musí být opravena co nejrychleji a nejúčinněji. Pokud není poškození napraveno, mohou být důsledky vážné až smrtelné. U bakterií je hlavní funkcí homologní rekombinace opravit tyto zlomy 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 se pravděpodobně jedná o zásadní mechanismus, který se objevil velmi brzy ve vývoji života.

Historická perspektiva

Jeden z nejdůležitějších principů, který navrhl Gregor Mendel, spočívá v nezávislosti v segregaci postav. Podle tohoto zákona jsou různé geny předávány z rodiče na dítě nezávisle.

V roce 1900 však byla zřejmá existence velmi výrazných výjimek z tohoto principu. Angličtí genetici Bateson a Punnett ukázali, že mnohokrát jsou určité vlastnosti zděděny společně, a pro tyto rysy princip vycházející z Mendela nemá platnost.

Následující výzkum dokázal objasnit existenci rekombinačního procesu, kdy buňky byly schopné vyměňovat genetický materiál. V případech, kdy geny zdědily společně, DNA nebyla vyměněna kvůli fyzické blízkosti mezi geny.

Co je to homologní rekombinace?

Homologní rekombinace je buněčný jev, který zahrnuje fyzickou výměnu sekvencí DNA mezi dvěma chromozomy. Rekombinace zahrnuje sadu genů známých jako rec geny. Tyto kódy pro různé enzymy, které se účastní procesu.

Molekuly DNA jsou považovány za „homologní“, pokud sdílejí podobné nebo identické sekvence více než 100 párů bází. DNA má malé oblasti, které se mohou navzájem lišit, a tyto varianty jsou známé jako alely.

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

Tento proces se zjevně vyskytuje v meióze. Konkrétně ve fázi, kde se chromozomy spárují v prvním dělení buněk. V této fázi dochází k výměně genetického materiálu mezi chromozomy.

Historicky je tento proces označen v literatuře pomocí anglosaského překračování slov. Tato událost je jedním z výsledků homologní rekombinace.

Frekvence křížení mezi dvěma geny stejného chromozomu závisí hlavně na vzdálenosti, která mezi nimi existuje; čím menší je fyzická vzdálenost mezi nimi, tím nižší je frekvence výměny.

Funkce a důsledky homologní rekombinace

Genetický materiál je neustále vystaven poškození způsobenému endogenními a exogenními zdroji, jako je například záření.

Odhaduje se, že lidské buňky mají významný počet lézí DNA, řádově desítky až stovky denně. Tyto léze je třeba opravit, aby se zabránilo potenciálním škodlivým mutacím, replikačním a transkripčním blokům a poškození na chromozomální úrovni.

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

Homologní rekombinace je událost, která umožňuje opravu DNA a umožňuje regeneraci ztracených sekvencí pomocí jiného (homologního) řetězce DNA jako templátu.

Tento metabolický proces je přítomen ve všech formách života a poskytuje vysoce věrný mechanismus, který umožňuje opravu „mezer“ v DNA, dvojvláknové 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 živých bytostí - pamatujte, že variace je surovinou pro vývoj.

Kromě toho poskytuje mechanismus pro resetování poškozených replikačních vidlic.

V bakteriích

U bakterií dochází k častým událostem horizontálního přenosu genů. Jsou klasifikovány jako konjugace, transformace a transdukce. Zde prokaryoty berou DNA z jiného organismu a dokonce z různých druhů.

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

Mechanismus

Homologní rekombinace začíná přerušením v jednom z řetězců molekuly chromozomální DNA. Poté dochází k řadě kroků katalyzovaných více enzymy.

Konec 3 ', kde dojde k řezu, je invazován homologním dvouřetězcovým řetězcem DNA. Proces invaze je zásadní. Pod pojmem "homologní řetězec" se rozumí části chromozomů, které mají stejné geny v lineárním pořadí, ačkoli nukleotidové sekvence nemusí být identické.

Synapse

Tato invaze řetězce umístí homologní chromozomy proti sobě. Tento jev setkávání se s vlákny se nazývá synapse (nezaměňovat se synapsí v neuronech, zde se termín používá s jiným významem).

Synapse nemusí nutně znamenat přímý kontakt mezi oběma homologními sekvencemi, DNA se může chvíli pohybovat, dokud nenajde homologní část. Tento proces vyhledávání se nazývá homologní zarovnání.

Tvorba D-smyčky

Poté dojde k události nazvané "invaze pramenů". Chromozom je dvojitá spirála DNA. Při homologní rekombinaci hledají dva chromozomy své homologní sekvence. V jedné z helixů se vlákna oddělují a tento řetězec „invazuje“ strukturu dvojité šroubovice, čímž vytváří strukturu nazývanou D smyčka.

Vlákno D-smyčky bylo přemístěno invazí přerušovacího vlákna a párů s komplementárním vláknem původní dvojité šroubovice.

Holliday křižovatka formace

Dalším krokem je vytvoření odborů Holliday. Zde jsou konce vyměněných pramenů svázány dohromady. Tato unie má schopnost pohybovat se jakýmkoli směrem. Kloub se může zlomit a tvořit vícekrát.

Posledním procesem rekombinace je rozlišení těchto odborů a existují dva způsoby nebo způsoby, jak toho buňka dosáhne. Jedním z nich je štěpení unie nebo proces zvaný rozpouštění, typický pro eukaryotické organismy.

V prvním mechanismu přerušení křižovatky Holliday regeneruje dva řetězce. V jiné „disoluční“ události dochází v odboru k jakémukoli kolapsu.

Zapojené proteiny

Klíčovým proteinem v rekombinačním procesu je Rad51 v eukaryotických buňkách a RecA v Escherichia coli. Funguje v různých fázích rekombinace: před, během a po synapse.

Protein Rad51 usnadňuje vytváření fyzického spojení mezi invazní DNA a temperovanou DNA. V tomto procesu se vytvoří heteroduplexová DNA.

Rad51 a jeho protějšek RecA katalyzují hledání homologní DNA a výměnu řetězců DNA. Tyto proteiny mají schopnost kooperativní vazby na jednopásmovou DNA.

Existují také paralogové geny (pocházející z událostí genové duplikace v řadě organismů) Rad51, nazývaných Rad55 a Rad57. U lidí bylo identifikováno pět paralogových genů Rad51 nazvaných Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 a Xrcc3.

Anomálie spojené s rekombinačními procesy

Protože rekombinace vyžaduje fyzickou vazbu na chromozomy, je to zásadní krok při správné segregaci během meiosy. Pokud nenastane správná rekombinace, může to být hlavní patologie.

Nedělitelnost chromozomů nebo chyby v segregaci je jednou z nejčastějších příčin potratů a anomálií chromozomálního původu, jako je trizomie chromozomu 21, která způsobuje Downův syndrom.

I když rekombinace je obvykle poměrně přesný proces, oblasti genomu, které se opakují, a geny, které mají více kopií v celém genomu, jsou náchylné k nerovnoměrnému křížení.

Toto křížení vytváří různé klinicky relevantní rysy, včetně běžných chorob, jako je talasemie a autismus.

Rekombinační aplikace

Molekulární biologové využili znalosti mechanismu homologní rekombinace k vytvoření různých technologií. Jeden z nich umožňuje vytvoření „knockout“ organismů.

Tyto geneticky modifikované organismy umožňují objasnit funkci požadovaného genu.

Jedna z metodik používaných při vytváření knockoutů spočívá v potlačení exprese specifického genu nahrazením původního genu modifikovanou nebo „poškozenou“ verzí. Gen je nahrazen mutovanou verzí pomocí homologní rekombinace.

Jiné typy rekombinace

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

Pokud jsou oblasti DNA, které si vyměňují materiál, nealelické (homologní chromozomy), výsledkem je duplikace nebo redukce genů. Tento proces je známý jako nehomologní rekombinace nebo nerovnoměrná rekombinace.

Společně může být genetický materiál vyměněn mezi sesterskými chromatidy na stejném chromozomu. Tento proces se vyskytuje jak v meiotickém, tak v mitotickém dělení a nazývá se nerovnoměrná výměna.

Reference

1. Baker, TA, Watson, JD a Bell, SP (2003). Molekulární biologie genu. Nakladatelství Benjamin-Cummings.
2. Devlin, TM (2004). Biochemie: učebnice s klinickými aplikacemi. Obrátil jsem se.
3. Jasin, M., & Rothstein, R. (2013). Oprava přerušení řetězce homologní rekombinací. Perspektivy Cold Spring Harbor v biologii, 5 (11), a012740.
4. Li, X. & Heyer, WD (2008). Homologní rekombinace v opravě DNA a tolerance poškození DNA. Cell Research, 18 (1), 99-113.
5. Murray, PR, Rosenthal, KS a Pfaller, MA (2017). Lékařská mikrobiologie. Elsevier Health Sciences.
6. Nussbaum, RL, McInnes, RR a Willard, HF (2015). Thompson & Thompson genetika v medicíně e-knihy. Elsevier Health Sciences.
7. Virgili, RO a Taboada, JMV (2006). Lidský genom: nové pokroky ve výzkumu, diagnostice a léčbě. Vydání Universitat Barcelona.