GENSKA REKOMBINACIJA: VRSTE IN MEHANIZMI - BIOLOGIJA - 2026

Genetska rekombinacija je postopek, s katerim molekule kisline fragmentov nukleinskih izmenjala generiranje novega molekulo. V DNK je zelo pogost, vendar je RNA tudi substrat za rekombinacijo. Po mutaciji je rekombinacija najpomembnejši vir genetske spremenljivosti.

DNK sodeluje v različnih biokemičnih procesih. Med podvajanjem služi kot predloga za nastanek dveh novih molekul DNK. Pri transkripciji omogoča generiranje molekul RNA iz določenih regij, ki jih nadzira promotor.

Splošni koraki rekombinacije DNK. Juergen Bode, prek Wikimedia Commons

Toda poleg tega je DNK sposoben tudi izmenjati drobce. S tem postopkom nastajajo nove kombinacije, ki niso plod dveh prejšnjih postopkov niti gnojenje.

Ves postopek rekombinacije vključuje razbijanje in spajanje molekul DNK, ki sodelujejo v procesu. Ta mehanizem je odvisen od subkombinacije rekombinacije, encimov, ki sodelujejo v postopku, in mehanizma njegovega izvajanja.

Rekombinacija je na splošno odvisna od obstoja komplementarnih, podobnih (če ne identičnih) ali homolognih regij med rekombinantnimi molekulami. V primeru, da se molekule rekombinirajo v procesih, ki jih ne vodi homologija, naj bi bila rekombinacija nehomologna.

Če homologija vključuje zelo kratko območje, ki je prisotno v obeh molekulah, naj bi bila rekombinacija specifična za mesto.

Opredelitev

Kar v rekombinaciji imenujemo homologija, se ne nanaša nujno na evolucijski izvor sodelujočih molekul. Namesto tega govorimo o stopnji podobnosti v nukleotidnem zaporedju.

Nepovratna rekombinacija se na primer pojavi pri evkariotih med postopkom mejoze. Nedvomno ne more biti večje homologije kot med pari kromosomov v isti celici.

Zato jih imenujemo homologni kromosomi. Vendar obstajajo primeri, ko DNK celice izmenjuje material s tujim DNK. Ti DNK morajo biti zelo podobni rekombinaciji, vendar jim ni nujno, da imajo iste prednike (homologijo), da to dosežejo.

Chiasm in crossover

Mesto pritrditve in izmenjave med dvema molekulama DNK se imenuje hizizem, sam postopek pa imenujemo premreženje. Med križanjem se preveri izmenjava pasov med sodelujočimi DNK.

Tako nastane kointegrat, ki sta dve molekuli DNK, ki sta fizično združeni v eno. Ko se kointegrat "raztopi", nastaneta dve molekuli, na splošno spremenjeni (rekombinantni).

"Reševati" je v okviru rekombinacije ločiti sestavne molekule DNK kointegrata.

Vrste genetske rekombinacije

-Sitospecifična rekombinacija

Pri lokacijski specifični rekombinaciji imata dve molekuli DNK, ki ponavadi nista homologni, imata kratko zaporedje, ki je skupno za obe. To zaporedje je cilj specifičnega spojnega encima.

Encim, ki lahko prepozna to zaporedje in ne drugega, ga razreže na določenem mestu v obeh molekulah. S pomočjo nekaterih drugih dejavnikov zamenja svoje pasove DNK obeh sodelujočih molekul in tvori kointegrat.

Escherichia coli

To je osnova za nastanek kointegrata med genomom bakterije Escherichia coli in bakterijo bakteriofaga. Bakteriofag je virus, ki okuži bakterije.

Tvorbo tega kointegrata izvaja encim, kodiran v virusnem genomu: lambda integraza. Prepozna skupno zaporedje, imenovano attP, v krožnem genomu virusa in attB v bakteriji.

Z rezanjem obeh zaporedij v obeh molekulah ustvari proste segmente, zamenja svoje pasove in se pridruži obema genomoma. Nato se oblikuje večji ali kointegracijski krog.

Pri kointegraciji virusni genom pasivno nosi bakterijski genom, s katerim se razmnožuje. V tem stanju pravijo, da je virus v provirusnem stanju in da je bakterija zanjo lizogena.

Povratni postopek, torej ločljivost kointegrata, lahko traja številne generacije - ali pa celo ne. Vendar pa to encimsko posreduje drug protein, ki ga kodira virus genom, imenovan ekscizijaza. Ko se to zgodi, se virus loči od kointegrata, se reaktivira in povzroči lizo celic.

-Homološka rekombinacija

Splošna rekombinacija

Homološka rekombinacija se pojavi med molekulami DNK, ki imajo vsaj približno 40 nukleotidov popolne ali skoraj popolne podobnosti. Za izvedbo postopka rekombinacije mora biti vključena vsaj ena endonukleaza.

Endonukleaze so encimi, ki tvorijo notranje reze v DNK. Nekateri to storijo, da nadgradijo DNK. Drugi, tako kot v primeru rekombinacije, to storijo, da ustvarijo vdolbino v DNK.

Ta edinstven vzdevek omogoča obdelavo enopasovne DNK s prostim koncem. Ta prosti konec, orientiran z rekombinazo, omogoča enemu pasu, da vdre v dvojno DNK, izpodrine rezidenčni pas, ki je enak njemu.

To je točka prehoda med molekulo DNK dajalca ("napadalca") in drugim receptorjem.

Encim (rekombinaza), ki izvaja proces invazije in izmenjave pasov v Escherichia coli, se imenuje RecA. V prokariotih obstajajo tudi drugi homologni proteini, na primer RadA v arhajih. V evkariotih se enakovredni encim imenuje RAD51.

Ko invazivni pas izpodriva rezidenta, se vmeša v pas, ki je ostal preprost v molekuli darovalca. Obe mesti sta z delovanjem ligaze zapečateni.

Zdaj imamo DNK hibridnih pasov (donorski in prejemni pas, različnega izvora), ki sta obdajana z donatorjevo DNK in prejemniško DNK. Križne točke (chiasmata) se v obe smeri premikajo za najmanj 200 bp.

Vsaka točka navzkrižnega križa tvori tisto, kar je znano kot struktura Hollidaya (križni oblik produkta rekombinacije).

To križno obliko DNK morajo razrešiti druge endonukleaze. Himerna ali hibridna DNK te strukture je mogoče razrešiti na dva načina. Če se drugi rez endonukleotida pojavi v istem pasu kot prvi, ne pride do rekombinacije. Če se drugi rez pojavi v drugem pasu, so dobljeni izdelki rekombinantni.

Rekombinantna DNA v Holliday strukturi. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Mao-4armjunction-schematic.png.

Rekombinacija V (D) J

To je vrsta somatske rekombinacije (ne mejotične), ki prispeva k nastanku k ogromni spremenljivosti protiteles imunskega sistema.

Ta rekombinacija poteka zlasti pri fragmentih genov, ki kodirajo verige polipeptidov, ki jih definirajo. Izvajajo ga celice B in vključujejo različne genetske regije.

Zanimivo je, da obstajajo paraziti, kot je Trypanosoma brucei, ki uporabljajo podoben mehanizem rekombinacije, da ustvarijo spremenljivost površinskega antigena. Na ta način se lahko izognejo gostiteljevemu odgovoru, če gostitelj ne ustvari protitelesa, sposobnega prepoznati "novega" antigena.

Raznolikost protiteles, ki nastanejo z rekombinacijo. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Cambio_clase_recombinacion.PNG

-Ne homologna rekombinacija

Končno obstajajo rekombinacijski procesi, ki niso odvisni od podobnosti v zaporedju sodelujočih molekul. Na primer, pri evkariotih je zelo pomembna rekombinacija nehomoloških koncev.

To se zgodi z delci DNK, ki prikazujejo dvojne prelome v DNK. To "popravi" celica, ki jih pridruži drugim fragmentom tudi z dvojnimi prelomi.

Vendar teh molekul ni nujno, da so podobne, da bi lahko sodelovale v tem postopku rekombinacije. To pomeni, da se s popravljanjem škode celica lahko pridruži nepovezanim DNK in tako ustvari res novo (rekombinantno) molekulo.

Pomen rekombinacije

Pomen kot vzrok: razmnoževanje in popravljanje DNK

Rekombinacija zagotavlja verodostojnost informacij o DNK med postopkom replikacije in po njej. Pri tej izjemno dolgi makromolekuli rekombinacija zazna poškodbo DNK med novim postopkom vezanja.

Ker ima vsak bend svoje podatke in dopolnilne informacije, rekombinacija zagotavlja, da se noben ne izgubi. Vsaka deluje kot priča drugemu. Podobno je tudi v diploidnih organizmih homologni kromosom priča svoje sorodstvo in obratno.

Po drugi strani pa se mehanizmi popravljanja poškodb te molekule, ko se DNK razmnoži, razlikujejo. Nekateri so neposredni (poškodba se izvaja neposredno), drugi pa so posredni.

Neposredni mehanizmi popravil so odvisni od ponovne kombinacije. To pomeni, da za popravilo škode v molekuli DNA uporabljamo drugo homologno molekulo. To bi pomenilo popravljalno rekombinacijo kot predlogo, na kateri je utrpela škodo.

Pomembnost kot posledica: ustvarjanje genetske spremenljivosti

Rekombinacija lahko ustvari ogromno spremenljivost kromosomov med mejozo. Tudi somatska rekombinacija ustvarja variabilnost, kot v primeru protiteles pri vretenčarjih.

V mnogih organizmih je mejoza geticna. Pri spolno razmnoževalnih organizmih se izkaže, da je rekombinacija eden najmočnejših načinov ustvarjanja spremenljivosti.

Se pravi, da moramo spontani mutaciji in kromosomski segregaciji dodati rekombinacijo kot še en element, ki ustvarja gietsko spremenljivost.

Vključevanje bakteriofagenih genomov z lokacijsko specifično rekombinacijo je po drugi strani prispevalo k preoblikovanju genoma njihovih gostiteljskih bakterij.

To je prispevalo k nastanku genomske spremenljivosti in evolucije te pomembne skupine živih bitij.

Rekombinacija in zdravje

Videli smo že, da se DNK lahko popravi, vendar ne tisto, kar škodi. V resnici lahko skoraj karkoli poškoduje DNK, začenši z napačno podvajanje, ki ostane nekorektno.

Toda poleg tega lahko DNK poškodujemo UV svetloba, ionizirajoče sevanje, prosti kisikovi radikali pri celičnem dihanju in tisto, kar jemo, kadimo, dihamo, zaužijemo ali se dotaknemo.

Na srečo vam ni treba opustiti življenja, da zaščitite DNK. Nekaterim se je treba odpovedati, vendar veliko delo opravi celica sama. Ti mehanizmi za zaznavanje škode na DNK in njegovo popravilo imajo očitno genetsko podlago, njihovo pomanjkanje pa ogromne posledice.

Bolezni, povezane z napako homologne rekombinacije, vključujejo na primer Bloomove in Wernerjeve sindrome, družinske raka dojk in jajčnikov itd.

Reference

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of Cell (6. izdaja). WW Norton & Company, New York, NY, ZDA.
2. Bell, JC, Kowalczykowski, SC (2016) Mehanika in eno molekularno zasliševanje rekombinacije DNK. Letni pregled biokemije, 85: 193-226.
3. Prado, F. () Homološka rekombinacija: vilice in naprej. Geni, doi: 10.3390 / geni9120603
4. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). Uvod v genetsko analizo (11. izd.). New York: WH Freeman, New York, NY, ZDA.
5. Tock, AJ, Henderson, IR (2018) Točne točke za začetek mejotske rekombinacije. Meje v genetiki, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) Prophages in Salmonella enterica: gonilna sila pri preoblikovanju genoma in fiziologiji njihovega bakterijskega gostitelja? Molekularna mikrobiologija, doi: 10.1111 / mmi.14167.
7. Wright, WD, Shah, SS, Heyer, WD (2018) Homološka rekombinacija in popravljanje dvojnih verig DNA. Journal of Biological Chemistry, 293: 10524-10535