Rekombinacja homologiczna: funkcje, mechanizm i zastosowania

Rekombinacja homologiczna jest procesem, który obejmuje wymianę cząsteczek DNA między podobnymi lub identycznymi częściami genomu. Komórki wykorzystują rekombinację homologiczną głównie do naprawy przerw w materiale genetycznym, generując zmienność genetyczną w populacjach.

Ogólnie, rekombinacja homologiczna implikuje fizyczne parowanie między homologicznymi strefami materiału genetycznego, po którym następuje rozbicie łańcuchów, które będą podlegać wymianie, i ostatecznie połączenie nowych cząsteczek DNA łącznie.

Przerwy w DNA muszą być naprawione tak szybko i skutecznie, jak to możliwe. Gdy szkody nie zostaną naprawione, konsekwencje mogą być poważne, a nawet śmiertelne. W bakteriach główną funkcją rekombinacji homologicznej jest naprawa tych pęknięć w materiale genetycznym.

Rekombinacja homologiczna jest uważana za jeden z głównych mechanizmów, które umożliwiają stabilność genomu. Jest obecny we wszystkich dziedzinach życia, a nawet w wirusach, więc przypuszczalnie jest to istotny mechanizm, który pojawił się bardzo wcześnie w ewolucji życia.

Perspektywa historyczna

Jedną z najważniejszych zasad zaproponowanych przez Gregora Mendla jest niezależność w segregacji postaci. Zgodnie z tym prawem różne geny przechodzą niezależnie od rodziców na dzieci.

Jednak w 1900 r. Istnienie bardzo wyraźnych wyjątków od tej zasady było oczywiste. Angielscy genetycy Bateson i Punnett pokazali, że wiele razy pewne postacie są dziedziczone razem, a dla tych cech zasada głoszona przez Mendla nie ma znaczenia.

Późniejsze badania pozwoliły wyjaśnić istnienie procesu rekombinacji, w którym komórki były w stanie wymienić materiał genetyczny. W przypadkach, w których geny dziedziczyły się razem, DNA nie było wymieniane z powodu fizycznej bliskości między genami.

Czym jest rekombinacja homologiczna?

Rekombinacja homologiczna jest zjawiskiem komórkowym, które obejmuje fizyczną wymianę sekwencji DNA między dwoma chromosomami. Rekombinacja obejmuje zestaw genów znanych jako geny rec. Te kody dla różnych enzymów biorących udział w procesie.

Cząsteczki DNA są uważane za „homologiczne”, gdy dzielą podobne lub identyczne sekwencje powyżej 100 par zasad. DNA ma małe regiony, które mogą się od siebie różnić, a te warianty są znane jako allele.

W żywych istotach całe DNA uważa się za rekombinowane DNA. Wymiana materiału genetycznego między chromosomami zachodzi w sposób ciągły, mieszając i zmieniając geny w chromosomach.

Ten proces występuje oczywiście w mejozie. Szczególnie w fazie, w której chromosomy są sparowane w pierwszym podziale komórek. Na tym etapie następuje wymiana materiału genetycznego między chromosomami.

Historycznie, proces ten jest oznaczony w literaturze przy użyciu anglosaskiego przejścia słów . To zdarzenie jest jednym z wyników rekombinacji homologicznej.

Częstotliwość przekraczania dwóch genów tego samego chromosomu zależy głównie od odległości między nimi; im mniejsza fizyczna odległość między nimi, tym niższa częstotliwość wymiany.

Funkcje i konsekwencje rekombinacji homologicznej

Materiał genetyczny jest stale narażony na uszkodzenia spowodowane przez źródła endogenne i egzogenne, takie jak na przykład promieniowanie.

Szacuje się, że ludzkie komórki wykazują znaczną liczbę uszkodzeń DNA, rzędu dziesiątek do setek dziennie. Zmiany te muszą zostać naprawione, aby uniknąć potencjalnych szkodliwych mutacji, blokad replikacji i transkrypcji oraz uszkodzenia chromosomów.

Z medycznego punktu widzenia uszkodzenie DNA, które nie jest naprawione prawidłowo, powoduje rozwój nowotworów i innych patologii.

Rekombinacja homologiczna jest zdarzeniem, które umożliwia naprawę DNA, umożliwiając odzyskanie utraconych sekwencji, wykorzystując jako szablon inną nić (homologiczną) DNA.

Ten proces metaboliczny jest obecny we wszystkich formach życia, zapewniając mechanizm wysokiej wierności, który umożliwia naprawę „luk” w DNA, pęknięć dwuniciowych i wiązań krzyżowych między łańcuchami DNA.

Jedną z najbardziej istotnych konsekwencji rekombinacji jest generowanie nowej zmienności genetycznej. Wraz z mutacjami są to dwa procesy, które generują zmienność w żywych istotach - pamiętaj, że zmienność jest surowcem do ewolucji.

Ponadto zapewnia mechanizm ponownego uruchamiania uszkodzonych widełek replikacji.

W bakteriach

W bakteriach występują częste zdarzenia poziomego transferu genów. Są one klasyfikowane jako koniugacja, transformacja i transdukcja. Tutaj prokarionty pobierają DNA z innego organizmu, a nawet z różnych gatunków.

Podczas tych procesów zachodzi rekombinacja homologiczna między komórką biorcy a komórką dawcy.

Mechanizm

Rekombinacja homologiczna rozpoczyna się od zerwania w jednej z nici chromosomalnej cząsteczki DNA. Po tym następuje seria kroków katalizowanych przez wiele enzymów.

Koniec 3 ', na którym występuje cięcie, jest atakowany przez podwójną homologiczną nić DNA. Proces inwazji ma kluczowe znaczenie. W przypadku „łańcucha homologicznego” chcemy odnieść się do części chromosomów, które mają te same geny w porządku liniowym, chociaż sekwencje nukleotydowe nie muszą być identyczne.

Synapsy

Ta inwazja nici umieszcza homologiczne chromosomy naprzeciw siebie. To zjawisko spotkania nici zwane jest synapsą (nie należy mylić z synapsą w neuronach, tutaj termin ten jest używany z innym znaczeniem).

Synapsa niekoniecznie oznacza bezpośredni kontakt między obydwoma homologicznymi sekwencjami, DNA może kontynuować ruch przez pewien czas, aż znajdzie homologiczną część. Ten proces wyszukiwania nazywa się dopasowaniem homologicznym.

Tworzenie pętli D

Następnie następuje zdarzenie o nazwie „inwazja wątku”. Chromosom jest podwójną helisą DNA. W rekombinacji homologicznej dwa chromosomy szukają ich sekwencji homologicznych. W jednej z helis nici się rozdzielają i ta nić „atakuje” strukturę podwójnej helisy, tworząc strukturę zwaną pętlą D.

Łańcuch pętli D został przesunięty przez inwazję nici, która przedstawia pęknięcie i pary z komplementarną nicią oryginalnej podwójnej helisy.

Tworzenie związków zawodowych Holliday

Następnym krokiem jest utworzenie skrzyżowań Holliday. Tutaj końce wymienianych nici są połączone. Ten związek ma zdolność poruszania się w dowolnym kierunku. Związek może być łamany i formowany wielokrotnie.

Ostatecznym procesem rekombinacji jest rozdzielczość tych skrzyżowań, a komórka osiąga dwa sposoby lub sposoby. Jednym z nich jest rozszczepienie związku lub proces zwany rozpuszczaniem, typowy dla organizmów eukariotycznych.

W pierwszym mechanizmie zerwanie związku Hollidaya regeneruje dwa łańcuchy. W innym przypadku „rozpadu” w związku dochodzi do pewnego rodzaju upadku.

Zaangażowane białka

Kluczowe białko w procesie rekombinacji nazywa się Rad51 w komórkach eukariotycznych, a RecA w Escherichia coli. Działa w różnych fazach rekombinacji: przed, podczas i po synapsie.

Białko Rad51 ułatwia tworzenie fizycznego połączenia między inwazyjnym DNA a odpuszczonym DNA. W tym procesie generowany jest heterodupleksowy DNA.

Rad51 i jego homolog RecA katalizują poszukiwanie homologicznego DNA i wymianę nici DNA. Białka te mają zdolność do wspólnego wiązania się z pojedynczym pasmem DNA.

Istnieją również geny paralogiczne (pochodzące z zdarzeń duplikacji genów w linii organizmów) Rad51, zwanych Rad55 i Rad57. U ludzi zidentyfikowano pięć genów paralogowych Rad51 zwanych Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 i Xrcc3.

Nieprawidłowości związane z procesami rekombinacji

Ponieważ rekombinacja wymaga fizycznego wiązania w chromosomach, jest to kluczowy krok w prawidłowej segregacji podczas mejozy. Jeśli nie nastąpi odpowiednia rekombinacja, wynik może być ważną patologią.

Brak rozłączenia chromosomów lub błędów w segregacji jest jedną z najczęstszych przyczyn poronień i anomalii pochodzenia chromosomowego, takich jak trisomia chromosomu 21, która powoduje zespół Downa.

Chociaż rekombinacja jest zwykle dość precyzyjnym procesem, powtarzające się regiony genomu i geny, które mają wiele kopii wzdłuż genomu, są elementami podatnymi na nierówne krzyżowanie .

To krzyżowanie daje różne cechy kliniczne, w tym częste choroby, takie jak talasemia i autyzm.

Zastosowania rekombinacji

Biolodzy molekularni wykorzystali wiedzę o mechanizmie rekombinacji homologicznej do tworzenia różnych technologii. Jeden z nich umożliwia tworzenie organizmów „ nokautowych ”.

Te genetycznie zmodyfikowane organizmy pozwalają wyjaśnić funkcję interesującego genu.

Jedna z metod stosowanych do tworzenia nokautów polega na tłumieniu ekspresji specyficznego genu zastępującego oryginalny gen zmodyfikowaną lub „uszkodzoną” wersją. Gen jest wymieniany na zmutowaną wersję za pomocą rekombinacji homologicznej.

Inne typy rekombinacji

Oprócz homologicznej lub legalnej rekombinacji istnieją inne rodzaje wymiany materiału genetycznego.

Gdy regiony DNA, które wymieniają materiał, nie są alleliczne (homologicznych chromosomów), wynikiem jest duplikacja lub redukcja genów. Proces ten jest znany jako rekombinacja niehomologiczna lub nierówna rekombinacja.

Łącznie materiał genetyczny można również wymieniać między chromatydami siostrzanymi tego samego chromosomu. Proces ten zachodzi zarówno w podziale mejotycznym, jak i mitotycznym, i nazywany jest nierówną wymianą.