Genetiske rekombinationstyper og mekanismer

den genetisk rekombination er processen ved hvilken nukleinsyremolekyler udveksler fragmenter, som frembringer et nyt molekyle. Det er meget almindeligt i DNA, men RNA er også et substrat til rekombination. Rekombination er efter mutation den vigtigste kilde til generering af genetisk variabilitet.

DNA deltager i forskellige biokemiske processer. Under replikation tjener den som en skabelon til generering af to nye DNA-molekyler. I transkriptionen tillader det at generere RNA-molekyler fra specifikke regioner kontrolleret af en promotor.

Men herudover er DNA også i stand til at udveksle fragmenter. Gennem denne proces genererer nye kombinationer, der ikke er produktet af de to tidligere processer eller af befrugtning.

En hvilken som helst rekombinationsproces involverer brydning og binding af de DNA-molekyler, der er involveret i processen. Denne mekanisme varierer afhængigt af, hvilket rekombinationssubstrat, de enzymer der er involveret i processen og mekanismen for dets udførelse.

Rekombinationen afhænger generelt af eksistensen af ​​komplementære regioner, lignende (hvis ikke identiske) eller homologe mellem rekombinationsmolekylerne. I tilfælde af at de rekombinerer molekyler i processer, der ikke styres af homologi, siges det, at rekombinationen ikke er homolog.

Hvis homologien involverer en meget kort region til stede i begge molekyler, siges det, at rekombinationen er stedsspecifik.

indeks

• 1 Definition
  • 1.1 Chiasm og tværbinding
• 2 Typer af genetisk rekombination
  • 2.1-Site-specifik rekombination
  • 2,2-homolog rekombination
  • 2.3 - Ikke-homolog rekombination
• 3 Betydningen af ​​rekombination
  • 3.1 Betydning som årsag: DNA-replikation og reparation
  • 3.2 Betydning som konsekvens: Generering af genetisk variabilitet
  • 3.3 Rekombination og sundhed
• 4 referencer

definition

Hvad vi kalder homologi i rekombination, betyder ikke nødvendigvis, at de deltagende molekylers evolutionære oprindelse er til stede. Vi taler mere om graden af ​​lighed i nukleotidsekvensen.

Ikke-reparativ rekombination forekommer f.eks. I eukaryoter under meioseprocessen. Utvivlsomt kan der ikke være større homologi end mellem par af kromosomer i samme celle.

Derfor kaldes de homologe kromosomer. Der er imidlertid tilfælde, hvor DNA fra en celle udveksler materiale med et fremmed DNA. Disse DNA'er skal meget ligner rekombinere, men de behøver ikke nødvendigvis at dele samme forfader (homologi) for at opnå det.

Chiasm og tværbinding

Stedet for fagforening og udveksling mellem to DNA-molekyler hedder chiasm, og processen som sådan er tværbinding. Under samkørslen kontrolleres en udveksling af bånd mellem de deltagende DNA'er.

Dette frembringer en cointegrate, som er to DNA molekyler, der er fysisk forenet i en. Når cointegratet "løses", genereres to molekyler, ændres generelt (rekombinant).

"Løs" er i sammenhæng med rekombination at adskille DNA-molekylerne komponenter i et cointegrat.

Typer af genetisk rekombination

-Site-specifik rekombination

I stedspecifik rekombination har to DNA-molekyler, generelt ikke-homologe, en kort sekvens, der er fælles for begge. Denne sekvens er målrettet af et specifikt splejsende enzym.

Enzymet, der er i stand til at genkende denne sekvens og ikke en anden, skærer det på et bestemt sted i begge molekyler. Ved hjælp af nogle andre faktorer udveksler de DNA-båndene i de to deltagende molekyler og danner et cointegrat.

Escherichia coli og lambda

Dette er grundlaget for dannelsen af ​​cointegratet mellem bakteriens genom Escherichia coli og den af ​​bakteriofag lambda. En bakteriofag er en virus, der inficerer bakterier.

Dannelsen af ​​dette cointegrat udføres af et enzym kodet i genomet af viruset: lambda integrase. Dette genkender en fælles sekvens, der hedder attP i virusets cirkulære genom, og attB i bakterien.

Ved at skære begge sekvenser i begge molekyler, genererer det frie segmenter, udveksler båndene og forener de to genomer. En større cirkel er dannet eller samordnet.

I det sammentræknede bæres genomet af virus passivt af bakteriegenomet, med hvilket det replikerer. I denne tilstand siges det, at virussen er i en tilstand af provirus, og at bakterien er lysogen til det samme.

Den inverse proces, det vil sige den samordnede opløsning, kan tage mange generationer - eller endda ikke forekomme. Men hvis det er gjort, er det enzymatisk medieret af et andet protein kodet af virusgenomet kaldet excisionasa. Når dette sker, adskiller viruset fra cointegratet, reaktiverer og forårsager cellelys.

-Homolog rekombination

Generaliseret rekombination

Den homologe rekombination er verificeret mellem DNA-molekyler, der deler mindst 40 nukleotider med fuldstændig eller næsten fuldstændig lighed. For at udføre rekombinationsprocessen skal mindst en endonuklease deltage.

Endonukleaser er enzymer, der genererer interne nedskæringer i DNA. Nogle gør det for at fortsætte med at nedbryde DNA'et. Andre, som i tilfældet med rekombination, gør det for at generere en dent i DNA'et.

Denne unikke nick gør det muligt at behandle et enkelt DNA-band med en fri ende. Denne frie ende, styret af en rekombinase, tillader et enkelt bånd at invadere et dobbelt DNA ved at fortrænge bopælsbåndet identisk med det.

Dette er punktet for krydsning mellem et donor-DNA-molekyle ("invaderer") og en anden modtager.

Det enzym (recombinase), der udfører invasion og udveksling af bands i Escherichia coli det hedder RecA. Der er andre homologe proteiner i prokaryoter, såsom RadA i arkæa. I eukaryoter hedder det ækvivalente enzym RAD51.

Når den invaderende bande fortrænger beboeren, interagerer den med bandet, der forblev simpelt i donormolekylet. Begge punkter er forseglet af en ligas virkning.

Vi har nu DNA fra hybridbånd (et donorbånd og et receptorbånd af forskellig oprindelse) flankeret af donor-DNA og recipient-DNA. Krydspunkterne (chiasmas) bevæger sig i begge retninger mindst 200 bp.

Hvert tværbindingspunkt danner det, der er kendt som Holliday-strukturen (korsformet DNA, der er resultatet af en rekombinationshændelse).

Dette korsformede DNA skal løses af andre endonukleaser. Det hybride eller kimære DNA af denne struktur kan løses på to måder. Hvis det andet endonucleotidsnit forekommer i det samme bånd, hvori den første forekom, genereres rekombination ikke. Hvis det andet snit forekommer i det andet bånd, er de resulterende produkter rekombinante.

Rekombination V (D) J

Dette er en type somatisk rekombination (ikke meiotisk), som bidrager til generationen i den enorme variabilitet af antistofferne i immunsystemet.

Denne rekombination er især verificeret af fragmenter af generne, som koder for polypeptidkæderne, der definerer dem. Det udføres af B-celler og involverer forskellige genetiske regioner.

Interessant nok er der parasitter som Trypanosoma brucei der anvender en lignende rekombinationsmekanisme til at skabe variabilitet i et overfladeantigen. På denne måde kan de undgå evnen fra værten, hvis den ikke genererer antistoffet, der er i stand til at genkende det "nye" antigen..

-Ikke-homolog rekombination

Endelig er der rekombinationsprocesser, som ikke er afhængige af sekvensen af ​​de deltagende molekyler. I eukaryoter er det meget vigtigt, for eksempel rekombinationen af ​​ikke-homologe ender.

Dette sker med DNA-fragmenter, der har dobbeltbåndsbrud i DNA. Disse er "repareret" af cellen, der forbinder dem med andre fragmenter ligeligt med dobbeltbåndsbrud.

Imidlertid må disse molekyler ikke nødvendigvis svare til at deltage i denne rekombinationsproces. Det vil sige ved at reparere skaden, kan cellen binde uafhængige DNA'er og skabe et virkelig nyt (rekombinant) molekyle. 

Betydningen af ​​rekombination

Betydningen som årsag: DNA-replikation og reparation

Rekombination garanterer troværdigheden af ​​DNA-information under og efter replikationsprocessen. Rekombination registrerer DNA-beskadigelse under processen med at skabe nye bånd i dette ekstremt lange makromolekyle.

Da hvert bånd har sine egne oplysninger og dets komplement, garanterer rekombinationen, at ingen er tabt. Hver af dem fungerer som vidne til den anden. På samme måde er der i diploide organismer et homologt kromosom vidne til sin bror og omvendt.

På den anden side, når DNA'et er blevet replikeret, varieres skadesreparationsmekanismerne af dette molekyle. Nogle er direkte (virker direkte på skaden) og andre er indirekte.

Indirekte reparationsmekanismer afhænger af rekombination, der skal udføres. Det vil sige at reparere skaden i et DNA-molekyle anvendes et andet homologt molekyle. Dette ville virke i den reparative rekombination som en form, der har lidt skade.

Betydning som følge: generering af genetisk variabilitet

Rekombination er i stand til at skabe enorm kromosomal variabilitet under meiose. Somatisk rekombination genererer også variabilitet, som i tilfælde af antistoffer hos hvirveldyr.

I mange organismer er meiosi gamética. I organismer med seksuel reproduktion viser rekombination at være en af ​​de mest kraftfulde måder at generere variabilitet på.

Det vil sige til den spontane mutation og segregeringen af ​​kromosomer er det nødvendigt at tilføje rekombinationen som et andet generatorelement af gametisk variabilitet.

Integrationen af ​​bakteriofag genomer ved lokalitetsspecifik rekombination har på den anden side bidraget til genomreformeringen af ​​deres værtsbakterier.

Dette har bidraget til genereringen af ​​genomisk variabilitet og evolution af denne vigtige gruppe af levende væsener.

Rekombination og sundhed

Vi har allerede set, at DNA kan repareres, men ikke hvad der skader det. Faktisk kan næsten alt ødelægge DNA, der starter med en defekt replikation, der ikke korrigeres.

Men ud over det kan DNA blive beskadiget af UV-lys, ioniserende stråling, fri iltradikaler, produkt af cellulær respiration, og hvad vi spiser, ryger, ånder, spiser eller rører.

Heldigvis behøver du ikke opgive at leve for at beskytte DNA. Man må afstå bestemte ting, men det store arbejde udføres af cellen selv. Disse mekanismer til påvisning af skade på DNA og dets reparation har selvfølgelig et genetisk grundlag og dets mangel, enorme konsekvenser.

Sygdomme relateret til defekter i homolog rekombination indbefatter for eksempel blom- og werner-syndromerne, familiekræft i bryst og æggestokke mv..

referencer

1. Alberts, B., Johnson, A. D., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6th Edition). W. W. Norton & Company, New York, NY, USA.
2. Bell, J.C., Kowalczykowski, S.C. (2016) Mekanik og enkeltmolekyl-forhør af DNA-rekombination. Årlig gennemgang af biokemi, 85: 193-226.
3. Prado, F. () Homolog Rekombination: Til Gaffel og Beyond. Gener, doi: 10.3390 / genes9120603
4. Griffiths, A.J.F., Wessler, R., Carroll, S. B., Doebley, J. (2015). En introduktion til genetisk analyse (11. udgave). New York: W.H. Freeman, New York, NY, USA.
5. Tock, A.J., Henderson, I.R. (2018) Hotspots for initiering af Meiotisk Rekombination. Grænser i genetik, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) En Profeter i Salmonella enterica: En drivkraft til omformning af deres bakterieværts genom og fysiologi? Molekylær mikrobiologi, doi: 10,1111 / mmi.14167.
7. Wright, W. D., Shah, S., Heyer, W. D. (2018) Homolog rekombination og DNA reparation dobbeltstrengspauser. Journal of Biological Chemistry, 293: 10524-10535