HOMOLOŠKA REKOMBINACIJA: FUNKCIJE, MEHANIZEM IN APLIKACIJE - BIOLOGIJA - 2026

Homologno rekombinacijo je proces, ki vključuje izmenjavo molekul DNA med podobnimi ali enakimi odsekov genoma. Celice uporabljajo homologno rekombinacijo predvsem za popravljanje zlomov v genskem materialu in ustvarjanje genetske variacije v populaciji.

Na splošno homologna rekombinacija vključuje fizično seznanjanje med homolognimi območji genskega materiala, ki mu sledi pretrganje verig, ki bodo podvržene izmenjavi, in končno združitev novih kombiniranih molekul DNK.

Rekombinacija med dvema homolognima kromosomoma.
Vir: Emw

Odlomke DNK je treba popraviti čim hitreje in učinkoviteje. Če se škoda ne popravi, so lahko posledice resne in celo smrtonosne. Pri bakterijah je glavna funkcija homologne rekombinacije popravljanje teh prelomov v genskem materialu.

Homološka rekombinacija velja za enega glavnih mehanizmov, ki omogočajo stabilnost genoma. Prisotna je na vseh področjih življenja in celo v virusih, zato je verjetno vitalni mehanizem, ki se je pojavil zelo zgodaj v življenju.

Zgodovinska perspektiva

Eno najpomembnejših načel, ki ga je predlagal Gregor Mendel, je neodvisnost pri ločevanju likov. Po tem zakonu se različni geni prenašajo od starša do otroka neodvisno.

Vendar je bil leta 1900 viden obstoj zelo izrazitih izjem tega načela. Angleška genetika Bateson in Punnett sta pokazala, da se številne lastnosti skupaj dedujejo in za te lastnosti načelo, ki ga je navedel Mendel, nima veljavnosti.

Kasnejšim raziskavam je uspelo razjasniti obstoj procesa rekombinacije, kjer so celice lahko izmenjevale genetski material. V primerih, ko so geni podedovali skupaj, DNK ni bil izmenjen zaradi fizične bližine med geni.

Kaj je homologna rekombinacija?

Homološka rekombinacija je celični pojav, ki vključuje fizično izmenjavo zaporedij DNK med dvema kromosomoma. Rekombinacija vključuje nabor genov, znanih kot rec geni. Te označujejo za različne encime, ki sodelujejo v procesu.

Molekule DNK veljajo za "homologne", če imajo podobne ali enake sekvence več kot 100 baznih parov. DNK ima majhne regije, ki se lahko med seboj razlikujejo in te različice so znane kot aleli.

Pri živih stvareh vsa DNK velja za rekombinantno DNK. Izmenjava genskega materiala med kromosomi poteka nenehno, mešanje in preurejanje genov na kromosomih.

Ta proces se očitno pojavi v mejozi. Zlasti v fazi, kjer se kromosomi parijo v prvi celični delitvi. V tej fazi pride do izmenjave genskega materiala med kromosomi.

Zgodovinsko gledano je ta postopek označen v literaturi z uporabo prekrivanja anglosaksonske besede. Ta dogodek je eden od rezultatov homologne rekombinacije.

Pogostost križanja med dvema genoma istega kromosoma je odvisna predvsem od razdalje, ki obstaja med njima; manjša kot je fizična razdalja med njimi, manjša je frekvenca izmenjave.

Delovanje in posledice homologne rekombinacije

Genetski material je nenehno izpostavljen poškodbam, ki jih povzročajo na primer endogeni in eksogeni viri, kot je sevanje.

Ocenjujejo, da imajo človeške celice pomembno število lezij DNK, v vrstnem redu od deset do sto na dan. Te lezije je treba popraviti, da se izognejo morebitnim škodljivim mutacijam, podvajanju in prepisujočim blokom ter poškodbam na ravni kromosomov.

Z medicinskega vidika poškodba DNK, ki se ne popravi pravilno, povzroči razvoj tumorjev in drugih patologij.

Homološka rekombinacija je dogodek, ki omogoča popravljanje DNK, ki omogoča obnovo izgubljenih sekvenc, z uporabo drugega (homolognega) sklopa DNK kot predloge.

Ta presnovni proces je prisoten v vseh oblikah življenja, saj zagotavlja visokozmogljiv mehanizem, ki omogoča popravljanje "vrzeli" v DNK, dvojno prekinitev in navzkrižne vezi med prameni DNK.

Ena najpomembnejših posledic rekombinacije je nastajanje novih genetskih variacij. Skupaj z mutacijami sta dva procesa, ki ustvarjata variacije v živih bitjih - ne pozabite, da je variacija surovina evolucije.

Poleg tega omogoča mehanizem za ponastavitev vilic za podvajanje, ki so bile poškodovane.

V bakterijah

Pri bakterijah so pogosti dogodki horizontalnega prenosa genov. Ti so razvrščeni kot konjugacija, transformacija in transdukcija. Tukaj prokarioti odvzamejo DNK iz drugega organizma in celo iz različnih vrst.

Med temi procesi pride do homologne rekombinacije med prejemno celico in donorjevo celico.

Mehanizem

Homološka rekombinacija se začne z razpadom v enem od vej molekule kromosomske DNK. Po tem se pojavi vrsta korakov, kataliziranih z več encimi.

3 'konec, kjer pride do rezanja, vdre v homologni dvojni niz DNK. Proces invazije je ključnega pomena. Pod "homologno verigo" mislimo na dele kromosomov, ki imajo enake gene v linearnem vrstnem redu, čeprav nukleotidne sekvence ne bi smele biti enake.

Sinopsija

Ta invazija v pramen postavlja homologne kromosome drug proti drugemu. Ta pojav srečevalnih niti se imenuje sinapsa (da je ne bomo zamenjali s sinapsijo v nevronih, tukaj se izraz uporablja z drugim pomenom).

Sinapsa ne pomeni nujno neposrednega stika med obema homolognima zaporedjema, DNK se lahko še naprej premika, dokler ne najde homolognega dela. Ta postopek iskanja imenujemo homologna poravnava.

Tvorba D-zanke

Nato se zgodi dogodek, imenovan "vdor pramenov". Kromosom je dvojna vijačnica DNK. Pri homologni rekombinaciji dva kromosoma iščeta svojo homologno zaporedje. V enem od vijačnic se prameni ločijo in ta pramen "vdre" v dvojno vijačno strukturo, tvori strukturo, imenovano D zanka.

Pramen D-zanke je bil premaknjen z vdori lomljivega pramena in se pari z komplementarnim pramenom prvotne dvojne vijačnice.

Tvorba stičišča Holliday

Naslednji korak je ustanovitev hollywoodskih sindikatov. Tu so konci izmenjanih pramenov povezani. Ta zveza se lahko giblje v katero koli smer. Spoj se lahko večkrat zlomi in tvori.

Končni postopek rekombinacije je razrešitev teh zvez in dva načina ali načina, kako celica to doseže. Eden od njih je cepitev zveze ali s postopkom, imenovanim raztapljanje, značilen za evkariontske organizme.

V prvem mehanizmu razbijanje Hollidayevega križišča obnavlja dve verigi. V drugem primeru "razpadanja" se v sindikatu zgodi neke vrste kolaps.

Vključene beljakovine

Ključni protein v procesu rekombinacije se v evkariontskih celicah imenuje Rad51, RecA pa v Escherichia coli. Deluje v različnih fazah rekombinacije: pred, med in po sinapsi.

Protein Rad51 olajša nastanek fizične povezave med invazivno DNK in kaljeno DNK. V tem procesu nastane heterodupleksna DNA.

Rad51 in njegov kolega RecA katalizirata iskanje homologne DNK in izmenjavo pramenov DNK. Ti proteini se lahko kooperativno vežejo na enopasovno DNK.

Obstajajo tudi paralogni geni (ki izvirajo iz dogodkov podvajanja genov v rodu organizmov) Rad51, imenovani Rad55 in Rad57. Pri ljudeh je bilo ugotovljenih pet genov Rad51 paraloga, imenovanih Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 in Xrcc3.

Anomalije, povezane s postopki rekombinacije

Ker je za rekombinacijo potrebna fizična vezava kromosomov, je ključni korak v pravilni segregaciji med mejozo. Če ne pride do pravilne rekombinacije, je rezultat lahko velika patologija.

Nedisjunkcija kromosomov ali napake pri segregaciji je eden najpogostejših vzrokov splavov in anomalij kromosomskega izvora, kot je trisomija kromosoma 21, ki povzroča Downov sindrom.

Čeprav je rekombinacija ponavadi dokaj natančen postopek, so področja genoma, ki se ponavljajo, in geni, ki imajo v celotnem genomu več kopij, nagnjeni k neenakomernemu križanju.

To križanje povzroča različne klinično pomembne lastnosti, vključno s skupnimi boleznimi, kot sta talasemija in avtizem.

Rekombinacijske aplikacije

Molekularni biologi so izkoristili znanje o mehanizmu homologne rekombinacije za ustvarjanje različnih tehnologij. Ena od teh omogoča ustvarjanje "knockout" organizmov.

Ti gensko spremenjeni organizmi omogočajo razjasnitev funkcije gena, ki nas zanima.

Ena od metodologij, ki se uporablja za ustvarjanje knockouts, je zatiranje izražanja specifičnega gena z nadomeščanjem originalnega gena s spremenjeno ali "poškodovano" različico. Gen se zamenja za mutirano različico s homologno rekombinacijo.

Druge vrste rekombinacije

Poleg homologne ali legitimne rekombinacije obstajajo tudi druge vrste izmenjave genskega materiala.

Kadar so področja DNA, ki izmenjujejo material, nealelna (homologni kromosomi), je rezultat podvajanje ali redukcija genov. Ta postopek je znan kot nehomološka rekombinacija ali neenakomerna rekombinacija.

Skupaj se lahko genetski material izmenjuje tudi med sestrskimi kromatidami na istem kromosomu. Ta proces poteka tako v mejotski kot mitotski delitvi in ​​se imenuje neenaka izmenjava.

Reference

1. Baker, TA, Watson, JD, & Bell, SP (2003). Molekularna biologija gena. Založba Benjamin-Cummings.
2. Devlin, TM (2004). Biokemija: učbenik s kliničnimi aplikacijami. Sem obrnil.
3. Jasin, M., & Rothstein, R. (2013). Popravilo prelomov pramenov s homologno rekombinacijo. Perspektive hladne pomladne luke v biologiji, 5 (11), a012740.
4. Li, X., in Heyer, WD (2008). Homološka rekombinacija v popravilu DNK in toleranca poškodbe DNK. Celične raziskave, 18 (1), 99-113.
5. Murray, PR, Rosenthal, KS, in Pfaller, MA (2017). Medicinska mikrobiologija. Elsevier Health Sciences.
6. Nussbaum, RL, McInnes, RR in Willard, HF (2015). Thompson & Thompson genetika v medicini e-knjiga. Elsevier Health Sciences.
7. Virgili, RO, & Taboada, JMV (2006). Človeški genom: nov napredek na področju raziskav, diagnoze in zdravljenja. Izdaje Universitat Barcelona.