GENETISK REKOMBINATION: TYPER OCH MEKANISMER - BIOLOGI - 2025

Den genetiska rekombinationen är den process genom vilken molekyler av nukleinsyrafragment utbyts och genererar en ny molekyl. Det är mycket vanligt i DNA, men RNA är också ett substrat för rekombination. Rekombination är, efter mutation, den viktigaste källan för generering av genetisk variation.

DNA deltar i olika biokemiska processer. Under replikering fungerar det som en mall för generering av två nya DNA-molekyler. Vid transkription gör det möjligt att generera RNA-molekyler från specifika regioner som kontrolleras av en promotor.

De allmänna stegen för DNA-rekombination. Juergen Bode, via Wikimedia Commons

Men utöver detta kan DNA också utbyta fragment. Genom denna process genererar den nya kombinationer som inte är produkten från de två tidigare processerna, inte heller av befruktning.

All rekombinationsprocess involverar brytning och sammanfogning av DNA-molekylerna som deltar i processen. Denna mekanism varierar beroende på rekombinationssubstratet, enzymerna som deltar i processen och mekanismen för dess genomförande.

Rekombination beror generellt på förekomsten av komplementära, liknande (om inte identiska) eller homologa regioner mellan de rekombinerande molekylerna. I det fall molekyler rekombineras i processer som inte styrs av homologi, sägs rekombinationen vara icke-homolog.

Om homologin involverar en mycket kort region som finns i båda molekylerna, sägs rekombinationen vara platsspecifik.

Definition

Vad vi kallar homologi vid rekombination hänvisar inte nödvändigtvis till de deltagande molekylernas evolutionära ursprung. Snarare talar vi om graden av likhet i nukleotidsekvensen.

Icke-reparativ rekombination förekommer till exempel i eukaryoter under meiosprocessen. Utan tvekan kan det inte finnas någon större homologi än mellan par av kromosomer i samma cell.

Det är därför de kallas homologa kromosomer. Men det finns fall där DNA från en cell utbyter material med ett främmande DNA. Dessa DNA måste vara väldigt lika rekombinerade, men de behöver inte nödvändigtvis dela samma förfader (homologi) för att uppnå detta.

Chiasm och crossover

Platsen för fästning och utbyte mellan två DNA-molekyler kallas en chiasm, och själva processen kallas tvärbindning. Under övergången verifieras ett bandutbyte mellan de deltagande DNA: erna.

Detta genererar ett kointegrat, som är två DNA-molekyler som är fysiskt förenade till en. När kointegratet "upplöses" genereras två molekyler, i allmänhet förändras (rekombinant).

Att "lösa", i samband med rekombination, är att separera komponentens DNA-molekyler i ett kointegrat.

Typer av genetisk rekombination

-Site-specifik rekombination

Vid platsspecifik rekombination har två DNA-molekyler, vanligtvis inte homologa, en kort sekvens som är gemensam för båda. Denna sekvens är målet för ett specifikt skarvningsenzym.

Enzymet, som kan känna igen denna sekvens och inte en annan, skär det på ett visst ställe i båda molekylerna. Med hjälp av några andra faktorer byter den DNA-banden för de två deltagande molekylerna och bildar ett kointegrat.

Escherichia coli

Detta är grunden för bildandet av kointegratet mellan genomet till bakterien Escherichia coli och bakteriofagen lambda. En bakteriofag är ett virus som infekterar bakterier.

Bildningen av detta kointegrat utförs av ett enzym kodat i virusgenomet: lambda integrase. Den känner igen en vanlig sekvens som kallas attP i virusets cirkulära genom och attB i bakteriens.

Genom att skära båda sekvenserna i båda molekylerna genererar det fria segment, byter band och sammanfogar de två genomerna. En större eller cointegrerad cirkel bildas sedan.

Vid cointegration bärs virusgenomet passivt av bakteriegenomet, som det replikeras med. I detta tillstånd sägs det att viruset är i provirus-tillståndet och att bakterien är lysogen för det.

Den omvända processen, det vill säga upplösningen av kointegrat, kan ta många generationer - eller till och med inte inträffa. Att göra det medieras emellertid enzymatiskt av ett annat protein kodat av virusgenomet som kallas excisionas. När detta händer separeras viruset från kointegratet, reaktiveras och orsakar celllys.

-Homolog rekombination

Generaliserad rekombination

Homolog rekombination sker mellan DNA-molekyler som delar minst cirka 40 nukleotider med fullständig eller nästan fullständig likhet. För att genomföra rekombinationsprocessen måste minst ett endonukleas involveras.

Endonukleaser är enzymer som gör interna DNA-skärningar. Vissa gör det för att fortsätta att försämra DNA. Andra, som i fallet med rekombination, gör det för att generera en buckla i DNA.

Denna unika nick gör det möjligt att bearbeta ett DNA-band med ett fritt slut. Denna fria ände, orienterad av ett rekombinas, tillåter ett enda band att invadera ett dubbel DNA, och förskjuter det bosatta bandet identiskt med det.

Detta är övergångspunkten mellan en givare ("invaderare") DNA-molekyl och en annan receptor.

Enzymet (rekombinas) som utför invasions- och bandutbytesprocessen i Escherichia coli kallas RecA. Det finns andra homologa proteiner i prokaryoter, såsom RadA i archaea. I eukaryoter kallas motsvarande enzym RAD51.

När det invasiva bandet förskjuter invånaren interagerar det med bandet som lämnades enkelt i givarmolekylen. Båda ställena förseglas genom verkan av ett ligas.

Vi har nu hybridband-DNA (ett givarband och ett mottagarband, från olika ursprung) flankerade av givar-DNA och mottagar-DNA. Crossover-punkterna (chiasmata) rör sig i båda riktningarna med minst 200 bp.

Varje övergångspunkt bildar vad som kallas Holliday-strukturen (korsformad DNA-produkt från en rekombinationshändelse).

Detta korsformiga DNA måste lösas av andra endonukleaser. Chimärt eller hybrid-DNA i denna struktur kan lösas på två sätt. Om det andra endonukleotidsnittet sker i samma band som det första sker ingen rekombination. Om den andra skärningen sker i det andra bandet är de resulterande produkterna rekombinanta.

Rekombinant DNA i Holliday-strukturen. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Mao-4armjunction-schematic.png.

Rekombination V (D) J

Detta är en typ av somatisk rekombination (inte meiotisk) som bidrar till genereringen av den enorma variationen i antikroppar i immunsystemet.

Denna rekombination sker i synnerhet fragment av generna som kodar för polypeptidkedjorna som definierar dem. Det utförs av B-celler och involverar olika genetiska regioner.

Intressant nog finns det parasiter som Trypanosoma brucei som använder en liknande rekombinationsmekanism för att skapa variation i ett ytantigen. På detta sätt kan de undvika värdens svar om värden inte genererar antikroppen som kan känna igen det "nya" antigenet.

Mångfald av antikroppar skapade genom rekombination. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Cambio_clase_recombinacion.PNG

-Ingen homolog rekombination

Slutligen finns det rekombinationsprocesser som inte beror på likheten i sekvensen för de deltagande molekylerna. I eukaryoter är till exempel rekombinationen av icke-homologa ändar mycket viktig.

Detta inträffar med DNA-fragment som visar dubbelbandbrott i DNA: t. Dessa "repareras" genom att cellen förenar dem till andra fragment också med dubbla bandbrott.

Emellertid behöver dessa molekyler inte nödvändigtvis vara liknande för att delta i denna rekombinationsprocess. Det vill säga genom att reparera skadan kan cellen gå ihop med icke-relaterade DNA: er och därmed skapa en riktigt ny (rekombinant) molekyl.

Betydelsen av rekombination

Betydelsen som orsak: DNA-replikering och reparation

Rekombination garanterar DNA-informationens trohet under och efter replikationsprocessen. Rekombination upptäcker DNA-skador under den nya bandningsprocessen i denna extremt långa makromolekyl.

Eftersom varje band har sin egen information och den kompletterande, garanterar rekombination att ingen går förlorad. Var och en fungerar som ett vittne för den andra. På liknande sätt bevittnar en homolog kromosom i diploida organismer dess syskon och vice versa.

Å andra sidan, när DNA har replikerats, varieras mekanismerna för reparationsskador hos denna molekyl. Vissa är direkta (skadan handlas direkt) och andra är indirekta.

Indirekta reparationsmekanismer beror på att rekombination ska äga rum. Det vill säga för att reparera skadan i en DNA-molekyl används en annan homolog molekyl. Detta skulle fungera i reparativ rekombination som en mall från vilken den har lidit skada.

Betydelsen som en konsekvens: genereringen av genetisk variation

Rekombination kan skapa enorm kromosomvariabilitet under meios. Somatisk rekombination genererar också variation, som i fallet med antikroppar i ryggradsdjur.

I många organismer är meiose gametisk. I sexuellt reproducerande organismer visar rekombination vara ett av de mest kraftfulla sätten att skapa variation.

Det vill säga till spontan mutation och kromosomsegregation måste rekombination läggas till som ett annat element som genererar gametisk variation.

Integrationen av bakteriofaggener genom platsspecifik rekombination har å andra sidan bidragit till ombyggnaden av genomet hos deras värdbakterier.

Detta har bidragit till genereringen av genomisk variation och utveckling av denna viktiga grupp av levande varelser.

Rekombination och hälsa

Vi har redan sett att DNA kan repareras, men inte vad som skadar det. I verkligheten kan nästan allt skada DNA, börjar med felaktig replikering som går okorrigerad.

Men utöver detta kan DNA skadas av UV-ljus, joniserande strålning, fria syreradikaler som produceras genom cellulär andning och vad vi äter, röker, andas, äter eller berör.

Lyckligtvis behöver du inte sluta leva för att skydda DNA. Vissa saker måste ge upp, men det stora arbetet görs av själva cellen. Dessa mekanismer för att upptäcka skador på DNA och dess reparation har uppenbarligen en genetisk grund och deras brist enorma konsekvenser.

Sjukdomar relaterade till defekter i homolog rekombination inkluderar till exempel Bloom- och Werner-syndrom, familjebröst- och äggstockscancer, etc.

referenser

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6: e upplagan). WW Norton & Company, New York, NY, USA.
2. Bell, JC, Kowalczykowski, SC (2016) Mekanik och enkelmolekylundersökning av DNA-rekombination. Årlig granskning av biokemi, 85: 193-226.
3. Prado, F. () Homolog rekombination: To Fork and Beyond. Gener, doi: 10.3390 / gener9120603
4. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). En introduktion till genetisk analys (11: e upplagan). New York: WH Freeman, New York, NY, USA.
5. Tock, AJ, Henderson, IR (2018) Hotspots for Initiation of Meiotic Recombination. Frontiers in Genetics, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) A Prophages in Salmonella enterica: en drivkraft för att omforma genomet och fysiologin hos deras bakteriella värd? Molecular Microbiology, doi: 10.1111 / mmi.14167.
7. Wright, WD, Shah, SS, Heyer, WD (2018) Homolog rekombination och reparation av DNA-strängbrott. Journal of Biologisk kemi, 293: 10524-10535