Homologe rekombinationsfunktioner, mekanisme og anvendelser



den homolog rekombination det er en proces, der indebærer udveksling af DNA molekyler mellem ens eller identiske dele af genomet. Cellerne bruger homolog rekombination hovedsagelig til reparation af pauser i det genetiske materiale, der genererer genetisk variation i populationerne.

I almindelighed indebærer homolog rekombination den fysiske sammenkobling mellem homologe zoner i det genetiske materiale efterfulgt af bruddet af de kæder, der skal gennemgå udvekslingen, og til sidst forbindelsen af ​​de nye DNA-molekyler kombineret.

Pauserne i DNA'et skal repareres så hurtigt og effektivt som muligt. Når skaderne ikke repareres, kan konsekvenserne være alvorlige og endda dødelige. I bakterier er hovedfunktionen ved homolog rekombination at reparere disse pauser i det genetiske materiale.

Homolog rekombination betragtes som en af ​​de vigtigste mekanismer, der tillader stabiliteten af ​​genomet. Det er til stede på alle områder af livet og selv i vira, så formodentlig er det en vital mekanisme, der syntes meget tidligt i livets udvikling.

indeks

  • 1 Historisk perspektiv
  • 2 Hvad er homolog rekombination?
  • 3 Funktioner og konsekvenser af homolog rekombination
    • 3.1 i bakterier
  • 4 mekanisme
    • 4.1 synapser
    • 4.2 Træning af D-sløjfen
    • 4.3 Formation af Holliday fagforeninger
    • 4.4 Berørte proteiner
  • 5 abnormiteter forbundet med rekombinationsprocesser
  • 6 Anvendelser af rekombination
  • 7 Andre former for rekombination
  • 8 referencer

Historisk perspektiv

Et af de mest relevante principper, som Gregor Mendel foreslår, er uafhængighed i tegnseparation. Ifølge denne lov overlever de forskellige gener fra forældre til børn uafhængigt.

Men i 1900 var der tydelige eksistenser af dette princip. De engelske genetikere Bateson og Punnett viste, at mange gange er visse tegn arvet sammen, og for disse egenskaber har Mendel-princippet ingen gyldighed.

Senere undersøgelser lykkedes at klarlægge eksistensen af ​​rekombinationsprocessen, hvor cellerne var i stand til at udveksle det genetiske materiale. I de tilfælde, hvor generne arvede sammen, blev DNA'et ikke udvekslet på grund af den fysiske nærhed mellem generne.

Hvad er homolog rekombination?

Homolog rekombination er et cellulært fænomen, der involverer fysisk udveksling af DNA-sekvenser mellem to kromosomer. Rekombination involverer et sæt gener kendt som gener rec. Disse koder for forskellige enzymer involveret i processen.

DNA-molekyler betragtes som "homologe", når de deler lignende eller identiske sekvenser på mere end 100 basepar. DNA har små regioner, som kan afvige fra hinanden, og disse varianter er kendt som alleler.

I levende væsener betragtes alt DNA som rekombinant DNA. Udvekslingen af ​​genetisk materiale mellem kromosomerne sker kontinuerligt, blanding og omarrangering af generne i kromosomerne.

Denne proces forekommer tydeligvis i meiose. Specielt i den fase, hvor kromosomerne er parret i den første celledeling. På dette stadium forekommer udveksling af genetisk materiale mellem kromosomer.

Historisk er denne proces udpeget i litteraturen ved hjælp af det angelsaksiske ord krydse over. Denne begivenhed er et af resultaterne af homolog rekombination.

Hyppigheden af krydse over mellem to gener af samme kromosom afhænger hovedsagelig af afstanden mellem de to; Jo mindre den fysiske afstand mellem dem, jo ​​lavere er frekvensen af ​​udveksling.

Funktioner og konsekvenser af homolog rekombination

Det genetiske materiale er konstant udsat for skade forårsaget af endogene og eksogene kilder, som f.eks. Stråling.

Det anslås, at humane celler frembyder et betydeligt antal læsioner i DNA i størrelsesordenen tiere til hundrede om dagen. Disse læsioner skal repareres for at undgå potentielle skadelige mutationer, blokeringer i replikation og transkription og beskadigelse på kromosomalt niveau.

Fra det medicinske synspunkt er DNA-beskadigelse, der ikke repareres korrekt, resulterende i udviklingen af ​​tumorer og andre patologier.

Homolog rekombination er en begivenhed, der tillader reparation i DNA, hvilket muliggør genopretning af tabte sekvenser, idet man som skabelon bruger den anden DNA-streng (homolog).

Denne metaboliske proces er til stede i alle former for liv, hvilket giver en mekanisme af høj troskab, der gør det muligt at reparere "huller" i DNA, dobbeltstrengede pauser og tværbindinger mellem DNA-kæder.

Et af de mest relevante konsekvenser af rekombination er dannelsen af ​​ny genetisk variation. Sammen med mutationer er de to processer, der skaber variation i levende væsener - husk at variation er råmaterialet til evolution.

Derudover giver den en mekanisme til genstart af replikationsgafler, der er blevet beskadiget.

I bakterier

I bakterier er der hyppige hændelser af horisontal genoverførsel. Disse klassificeres som konjugation, transformation og transduktion. Her tager prokaryoter DNA fra en anden organisme, og selv fra forskellige arter.

Under disse processer forekommer homolog rekombination mellem recipientcellen og donorcellen.

mekanisme

Den homologe rekombination begynder med pause i et af tråderne i det kromosomale DNA-molekyle. Herefter forekommer en række trin katalyseret af flere enzymer.

3'-enden, hvor udskæringen forekommer, er invaderet af den dobbelte homologe DNA-streng. Invasionen er afgørende. Med "homolog kæde" vil vi henvise til de dele af kromosomerne, som har de samme gener i en lineær rækkefølge, selv om nukleotidsekvenserne ikke behøver at være ens.

synapser

Denne invasion af strengen placerer de homologe kromosomer mod hinanden. Dette fænomen af ​​strengstød hedder synapsis (ikke forveksles med synapser i neuroner, her anvendes udtrykket med en anden betydning).

Synapsen indebærer ikke nødvendigvis en direkte kontakt mellem begge homologe sekvenser, DNA'et kan fortsætte med at bevæge sig i et stykke tid, indtil det finder den homologe del. Denne søgeproces kaldes homolog tilpasning.

Formation af D-sløjfen

Derefter opstår der en begivenhed kaldet "invasion af tråden". Et kromosom er en dobbelt helix af DNA. I homolog rekombination søger to kromosomer efter deres homologe sekvenser. I en af ​​spiralerne adskiller strengene og denne streng "invaderer" den dobbelte spiralstruktur, der danner strukturen kaldet loop D.

Kæden af ​​D-sløjfen er blevet forskudt af invasionen af ​​den streng, der præsenterer rupturen og parrene med den komplementære streng af den oprindelige dobbelthelix.

Dannelse af Holliday fagforeninger

Det næste trin er dannelsen af ​​Holliday-krydsene. Her er enderne af de udvekslede tråde forbundet. Denne union har evnen til at bevæge sig i enhver retning. Foreningen kan blive brudt og dannet ved flere lejligheder.

Den endelige proces med rekombination er opløsningen af ​​disse kryds og der er to måder eller måder, hvorpå cellen opnår det. En af dem er unionens spaltning eller en proces kaldet opløsning, typisk for eukaryotiske organismer.

I den første mekanisme regenererer brydningen af ​​Hollidays forening to kæder. I det andet tilfælde af "opløsning" opstår der en slags sammenbrud i foreningen.

Proteiner involveret

Et afgørende protein i rekombinationsprocessen hedder Rad51 i eukaryotiske celler og RecA i Escherichia coli. Det virker i de forskellige faser af rekombination: før, under og efter synaps.

Rad51-proteinet letter dannelsen af ​​den fysiske forbindelse mellem invaderende DNA og hærdet DNA. I denne proces genereres heteroduplex-DNA'et.

Rad51, og dens homolog RecA, katalyserer søgen efter homologt DNA og udveksling af DNA-tråde. Disse proteiner har evnen til at deltage i et enkelt band DNA.

Der er også paralogiske gener (stammende fra begivenheder af gent duplikation i en række af organismer) af Rad51, kaldet Rad55 og Rad57. Hos mennesker er fem Rad51-paraloggener kaldet Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 og Xrcc3 blevet identificeret..

Abnormiteter forbundet med rekombinationsprocesser

Da rekombination kræver fysisk binding i kromosomer er det et afgørende skridt i korrekt segregering under meiose. Hvis der ikke forekommer tilstrækkelig rekombination, kan resultatet være en signifikant patologi.

Ikke-disjunktion af kromosomer eller fejl i segregation er en af ​​de hyppigste årsager til abort og anomalier af kromosomal oprindelse, såsom tromomi af kromosom 21, hvilket forårsager Downs syndrom.

Selvom rekombination er normalt en ret præcis proces, er regionerne af genomet, der gentages, og generne, der har flere kopier langs genomet, elementer, der er tilbøjelige til at ulige krydsning.

Denne interbreeding producerer forskellige kliniske træk, herunder hyppige sygdomme som thalassæmi og autisme..

Anvendelser af rekombination

Molekylærbiologer har udnyttet kendskabet til mekanismen for homolog rekombination til skabelsen af ​​forskellige teknologier. En af disse tillader skabelse af organismer "knockout".

Disse genetisk modificerede organismer tillader at belyse funktionen af ​​et gen af ​​interesse.

En af de metoder, der anvendes til oprettelsen af knockouts det består af undertrykkelsen af ​​udtrykket af det specifikke gen, der erstatter det oprindelige gen med en modificeret eller "beskadiget" version. Genet udveksles for den muterede version ved hjælp af homolog rekombination.

Andre former for rekombination

Ud over homolog eller legitim rekombination er der andre former for udveksling af genetisk materiale.

Når regionerne af DNA'et, der udveksler materialet, er ikke-alleliske (af homologe kromosomer), er resultatet duplikering eller reduktion af gener. Denne proces er kendt som ikke-homolog rekombination eller ulige rekombination.

Sammen kan det genetiske materiale også udveksles mellem søsterkromatider af samme kromosom. Denne proces forekommer i både den meotiske og mitotiske division, og kaldes ulige udveksling.

referencer

  1. Baker, T. A., Watson, J. D., & Bell, S. P. (2003). Molekylærbiologi af genet. Benjamin-Cummings Publishing Company.
  2. Devlin, T. M. (2004). Biokemi: lærebog med kliniske anvendelser. Jeg vendte om.
  3. Jasin, M. & Rothstein, R. (2013). Reparation af strengbrud ved homolog rekombination. Cold Spring Harbor perspektiver i biologi, 5(11), a012740.
  4. Li, X., & Heyer, W. D. (2008). Homolog rekombination i DNA reparation og DNA skade tolerance. Cellforskning, 18(1), 99-113.
  5. Murray, P.R., Rosenthal, K.S., & Pfaller, M.A. (2017). Medicinsk mikrobiologi. Elsevier Health Sciences.
  6. Nussbaum, R. L., McInnes, R. R., & Willard, H. F. (2015). Thompson & Thompson genetik i medicin e-bog. Elsevier Health Sciences.
  7. Virgili, R. O., & Taboada, J. M. V. (2006). Menneskegenom: Nye fremskridt inden for forskning, diagnose og behandling. Edicions Universitat Barcelona.