Genetiske rekombinasjonstyper og mekanismer



den genetisk rekombinasjon er prosessen hvor nukleinsyremolekyler utveksler fragmenter som genererer et nytt molekyl. Det er svært vanlig i DNA, men RNA er også et substrat for rekombinasjon. Rekombinasjon er, etter mutasjon, den viktigste kilden til generering av genetisk variabilitet.

DNA deltar i ulike biokjemiske prosesser. Under replikering tjener den som en mal for generering av to nye DNA-molekyler. I transkripsjonen tillater det å generere RNA-molekyler fra bestemte regioner kontrollert av en promotor.

Men i tillegg til dette er DNA også i stand til å utveksle fragmenter. Gjennom denne prosessen genereres nye kombinasjoner som ikke er produktet av de to tidligere prosessene, heller ikke av befruktning.

Eventuell rekombinationsprosess innebærer brudd og binding av DNA-molekylene involvert i prosessen. Denne mekanismen varierer avhengig av hva som er rekombinationssubstratet, enzymer involvert i prosessen og mekanismen for dens utførelse.

Rekombinationen avhenger vanligvis av eksistensen av komplementære regioner, like (om ikke identiske) eller homologe mellom rekombinasjonsmolekylene. I tilfelle at de rekombinerer molekyler i prosesser som ikke styres av homologi, sies det at rekombinationen ikke er homolog.

Hvis homologien involverer en meget kort region tilstede i begge molekyler, er det sagt at rekombinationen er stedspesifikk.

index

  • 1 Definisjon
    • 1.1 Chiasm og cross-linking
  • 2 Typer av genetisk rekombinasjon
    • 2.1-Site-spesifikk rekombinasjon
    • 2,2-homolog rekombination
    • 2.3 - Ikke-homolog rekombination
  • 3 Betydningen av rekombinasjon
    • 3.1 Viktighet som årsak: DNA-replikasjon og reparasjon
    • 3.2 Betydning som følge: generering av genetisk variabilitet
    • 3.3 Rekombinasjon og helse
  • 4 referanser

definisjon

Det vi kaller homologi i rekombinasjon, refererer ikke nødvendigvis til den evolusjonære opprinnelsen til de deltakende molekylene. Vi snakker mer om graden av likhet i nukleotidsekvensen.

Ikke-reparativ rekombinasjon, for eksempel, forekommer i eukaryoter under meioseprosessen. Utvilsomt kan det ikke være større homologi enn mellom par av kromosomer i samme celle.

Det er derfor de kalles homologe kromosomer. Imidlertid er det tilfeller hvor DNA fra en celle utveksler materiale med et fremmed DNA. Disse DNAene må være svært lik rekombinere, men de trenger ikke nødvendigvis å dele samme forfader (homologi) for å oppnå det.

Chiasm og cross-linking

Nettstedet for forening og utveksling mellom to DNA-molekyler kalles chiasm, og prosessen som sådan, kryssbinding. Under interrossing er en utveksling av bånd mellom de deltagende DNAene verifisert.

Dette genererer et cointegrate, som er to DNA molekyler fysisk forenet i ett. Når cointegratet er "løst", genereres to molekyler, generelt forandret (rekombinant).

"Løs", i sammenheng med rekombinasjon, er å skille DNA-molekylene komponenter av et cointegrat.

Typer av genetisk rekombination

-Nettsspesifikke rekombinasjon

I stedspesifikk rekombination har to DNA-molekyler, generelt ikke-homologe, en kort sekvens felles for begge. Denne sekvensen er målrettet av et spesifikt spleise-enzym.

Enzymet, som er i stand til å gjenkjenne denne sekvensen og ikke en annen, kutter den på et bestemt sted i begge molekyler. Ved hjelp av noen andre faktorer utveksler den DNA-båndene til de to deltakende molekylene og danner et cointegrate.

Escherichia coli og lambda

Dette er grunnlaget for dannelsen av cointegratet mellom genomet av bakterien Escherichia coli og den av bakteriofagen lambda. En bakteriofag er et virus som infiserer bakterier.

Dannelsen av dette cointegratet utføres av et enzym kodet i genomet av viruset: lambda integrasen. Dette gjenkjenner en felles sekvens som heter attP i virusets sirkulære genom, og attB i bakterien.

Ved å kutte begge sekvenser i begge molekyler, genererer det frie segmenter, bytter bandene og forener de to genomene. En større sirkel er dannet, eller samordnet.

I den sameksisterte, er genomet av viruset passivt båret av bakteriegenomet, som det replikerer med. I denne tilstanden sies det at viruset er i en tilstand av provirus, og at bakterien er lysogen for det samme.

Den inverse prosessen, det vil si den samordnede oppløsningen, kan ta mange generasjoner - eller til og med ikke forekomme. Men hvis det er gjort, blir det enzymatisk mediert av et annet protein kodet av virusgenomet kalt excisionasa. Når dette skjer, separerer viruset fra cointegratet, reaktiverer og forårsaker cellelys.

-Homolog rekombination

Generell rekombination

Den homologe rekombinasjonen er verifisert mellom DNA-molekyler som deler minst 40 nukleotider med fullstendig eller nesten fullstendig likhet. For å utføre rekombinationsprosessen må minst én endonuklease delta.

Endonukleaser er enzymer som genererer interne kutt i DNA. Noen gjør det for å fortsette å nedbryte DNA. Andre, som i tilfelle rekombinasjon, gjør det for å generere en dent i DNA.

Denne unike nicken lar deg behandle et enkelt DNA-band med en fri slutt. Denne frie enden, guidet av en rekombinase, tillater et enkelt band å invadere et doble DNA ved å fortrengge bosatt bandet identisk med det.

Dette er krysset over, mellom et donor-DNA-molekyl ("invaderer") og en annen mottaker.

Enzymet (rekombinase) som utfører prosessen med invasjon og utveksling av band i Escherichia coli det kalles RecA. Det finnes andre homologe proteiner i prokaryoter, slik som RadA i arkea. I eukaryoter heter det tilsvarende enzymet RAD51.

Når den invaderende gjengen forteller bosatt, samhandler den med bandet som forblir enkelt i donormolekylet. Begge punktene er forseglet av virkningen av en ligase.

Vi har nå DNA fra hybridbånd (et donorbånd og et reseptorbånd av forskjellig opprinnelse) flankert av donor DNA og mottaker DNA. Krysspunktene (chiasmas) beveger seg i begge retninger, minst 200 bp.

Hvert tverrbindingspunkt danner det som er kjent som Holliday-strukturen (kryssformet DNA som kommer fra en rekombinationshendelse).

Dette korsformede DNA må løses av andre endonukleaser. Hybrid- eller kimært DNA av denne strukturen kan løses på to måter. Hvis det andre endonukleotidsnittet forekommer i det samme båndet som den første forekom, genereres ikke rekombinasjon. Hvis det andre klippet skjer i det andre båndet, er de resulterende produktene rekombinante.

Rekombinasjon V (D) J

Dette er en type somatisk rekombination (ikke meiotisk) som bidrar til generasjonen i den enorme variasjonen av antistoffene i immunsystemet.

Denne rekombinasjonen er verifisert spesielt fragmenter av gener som koder for polypeptidkjedene som definerer dem. Det utføres av B-celler og involverer forskjellige genetiske regioner.

Interessant, det er parasitter som Trypanosoma brucei som benytter en lignende rekombinasjonsmekanisme for å skape variabilitet i et overflateantigen. På denne måten kan de unngå evnen fra verten hvis den ikke genererer antistoffet som er i stand til å gjenkjenne det "nye" antigenet..

-Ikke-homolog rekombination

Til slutt er det rekombinasjonsprosesser som ikke er avhengige av sekvenslikheten til de deltakende molekylene. I eukaryoter er det svært viktig, for eksempel rekombinasjonen av ikke-homologe ender.

Dette skjer med DNA-fragmenter som har dobbeltbåndsbrudd i DNA. Disse er "reparert" av cellen som forbinder dem med andre fragmenter like med dobbeltbåndsbrudd.

Imidlertid må disse molekylene ikke nødvendigvis være lik deltakelse i denne rekombinasjonsprosessen. Det vil si ved å reparere skaden, kan cellen binde urelaterte DNAer, og skape en virkelig ny (rekombinant) molekyl. 

Betydningen av rekombinasjon

Viktighet som årsak: DNA-replikasjon og reparasjon

Rekombinasjon garanterer pålitelighet av DNA-informasjon under og etter replikasjonsprosessen. Rekombinasjon oppdager DNA-skade under prosessen med å lage nye band i denne ekstremt lange makromolekylen.

Som hvert bånd har sin egen informasjon, og dens komplement, garanterer rekombination at ingen går tapt. Hver av dem fungerer som vitne for den andre. På samme måte, i diploide organismer, er et homologt kromosom vitne til sin bror, og omvendt.

På den annen side, når DNA-en har blitt replisert, er skade-reparasjonsmekanismene i dette molekylet variert. Noen er direkte (virker direkte på skaden) og andre er indirekte.

Indirekte reparasjonsmekanismer er avhengig av rekombination som skal utføres. Det vil si å reparere skadene i ett DNA-molekyl, brukes et annet homologt molekyl. Dette ville fungere i den reparative rekombinasjonen som en form som har vært skadet.

Viktigheten som en konsekvens: genereringen av genetisk variabilitet

Rekombinasjon er i stand til å skape enorm kromosomal variabilitet under meiose. Somatisk rekombinasjon genererer også variabilitet, som i tilfelle av antistoffer hos vertebrater.

I mange organismer er meiosis gamética. I organismer med seksuell reproduksjon viser rekombination seg å være en av de kraftigste måtene å generere variabilitet.

Det vil si til den spontane mutasjonen og segregeringen av kromosomer er det nødvendig å legge til rekombinasjonen som et annet generatorelement av gametisk variabilitet.

Integrasjonen av bakteriofaggenomer ved områdespesifikke rekombinasjon har derimot bidratt til genomgenomdannelsen av deres vertsbakterier.

Dette har bidratt til genereringen av genomisk variabilitet og evolusjon av denne viktige gruppen av levende vesener.

Rekombination og helse

Vi har allerede sett at DNA kan repareres, men ikke hva skader det. Faktisk kan nesten alt skade DNA, som starter med en defekt replikasjon som ikke er korrigert.

Men utover det kan DNA bli skadet av UV-lys, ioniserende stråling, frie oksygenradikaler, produkt av cellulær respirasjon, og hva vi spiser, røyker, puster, spiser eller berører.

Heldigvis behøver du ikke gi opp levende for å beskytte DNA. Man må avstå bestemte ting, men det store arbeidet gjøres av cellen selv. Disse mekanismer for gjenkjenning av skade på DNA, og dets reparasjon, har åpenbart et genetisk grunnlag, og dets mangel, enorme konsekvenser.

Sykdommer relatert til defekter i homolog rekombinasjon inkluderer for eksempel blom- og werner-syndromene, familiekreft i bryst og eggstokker, etc..

referanser

  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) Mekanikk og enkeltmolekyl-forhør av DNA rekombination. Årlig gjennomgang av biokjemi, 85: 193-226.
  3. Prado, F. () Homolog rekombination: Til gaffel og utover. Gener, doi: 10.3390 / genes9120603
  4. Griffiths, A.J.F., Wessler, R., Carroll, S. B., Doebley, J. (2015). En introduksjon til genetisk analyse (11. utgave). New York: W.H. Freeman, New York, NY, USA.
  5. Tock, A.J., Henderson, I.R. (2018) Hotspots for initiering av Meiotisk rekombinasjon. Grenser i genetikk, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
  6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) En profeter i Salmonella enterica: En drivkraft i omformingen av genomet og fysiologien til deres bakterielle vert? Molekylær mikrobiologi, doi: 10.1111 / mmi.14167.
  7. Wright, W. D., Shah, S., Heyer, W. D. (2018) Homolog rekombination og DNA-reparasjon av dobbeltstrengspauser. Journal of Biological Chemistry, 293: 10524-10535