Homologe rekombinationsfunksjoner, mekanisme og applikasjoner



den homolog rekombination Det er en prosess som involverer utveksling av DNA-molekyler mellom like eller identiske deler av genomet. Cellene bruker homolog rekombinasjon hovedsakelig for reparasjon av brudd i det genetiske materialet, generering av genetisk variasjon i populasjonene.

Generelt innebærer homolog rekombination den fysiske sammenkoblingen mellom homologe soner av det genetiske materialet, etterfulgt av brudd av kjedene som skal gjennomgå utvekslingen, og til slutt forbinder sammensetningen av de nye DNA-molekylene.

Pausene i DNA må repareres så raskt og effektivt som mulig. Når skadene ikke repareres, kan konsekvensene være alvorlige og til og med dødelige. I bakterier er hovedfunksjonen til homolog rekombination å reparere disse bruddene i det genetiske materialet.

Homolog rekombination regnes som en av hovedmekanismer som tillater stabiliteten av genomet. Det er tilstede i alle domener i livet og til og med i virus, så antagelig er det en viktig mekanisme som dukket opp veldig tidlig i utviklingen av livet.

index

  • 1 Historisk perspektiv
  • 2 Hva er homolog rekombination?
  • 3 Funksjoner og konsekvenser av homolog rekombination
    • 3.1 i bakterier
  • 4 Mekanisme
    • 4.1 Synapses
    • 4.2 Opplæring av D-sløyfen
    • 4.3 Formasjon av Holliday fagforeninger
    • 4.4 Betalte proteiner
  • 5 Abnormaliteter assosiert med rekombinasjonsprosesser
  • 6 Anvendelser av rekombinasjon
  • 7 Andre typer rekombinasjon
  • 8 referanser

Historisk perspektiv

En av de mest relevante prinsippene foreslått av Gregor Mendel er uavhengighet i segregering av tegn. I følge denne loven går de forskjellige generene fra foreldre til barn uavhengig.

Imidlertid var det i 1900 tydelig at det var svært markerte unntak fra dette prinsippet. De engelske genetikerne Bateson og Punnett viste at mange ganger er visse tegn arvet sammen, og for disse funksjonene har prinsippet som Mendel har gitt ingen gyldighet.

Senere undersøkelser lyktes i å illustrere eksistensen av rekombinationsprosessen, hvor cellene var i stand til å utveksle det genetiske materialet. I tilfeller der generene arvet sammen, ble ikke DNA utvekslet på grunn av den fysiske nærheten mellom gener.

Hva er homolog rekombination?

Homolog rekombination er et cellulært fenomen som involverer fysisk utveksling av DNA-sekvenser mellom to kromosomer. Rekombinasjon innebærer et sett med gener som er kjent som gener rec. Disse kodene for forskjellige enzymer involvert i prosessen.

DNA-molekyler betraktes som "homologe" når de deler like eller identiske sekvenser på mer enn 100 basepar. DNA har små regioner som kan avvike fra hverandre, og disse varianter er kjent som alleler.

I levende vesener anses alt DNA som rekombinant DNA. Utvekslingen av genetisk materiale mellom kromosomene skjer kontinuerlig, blanding og omarrangering av gener i kromosomene.

Denne prosessen skjer tydeligvis på meiosis. Spesielt i fasen hvor kromosomene er paret i den første celledeling. På dette stadiet forekommer utveksling av genetisk materiale mellom kromosomer.

Historisk er denne prosessen utpekt i litteraturen ved hjelp av det angelsaksiske ordet krysser over. Denne hendelsen er et av resultatene av homolog rekombination.

Frekvensen av krysser over mellom to gener av samme kromosom avhenger hovedsakelig av avstanden mellom de to; Jo mindre den fysiske avstanden mellom dem, jo ​​lavere er frekvensen av utveksling.

Funksjoner og konsekvenser av homolog rekombination

Det genetiske materialet blir hele tiden utsatt for skade forårsaket av endogene og eksogene kilder, for eksempel stråling, for eksempel.

Det er anslått at menneskelige celler presenterer et betydelig antall lesjoner i DNA, i rekkefølge av titalls til hundrevis om dagen. Disse lesjonene må repareres for å unngå potensielle skadelige mutasjoner, blokkeringer i replikasjon og transkripsjon og skade på kromosomalt nivå.

Fra det medisinske synspunktet resulterer DNA-skade som ikke er riktig reparert i utviklingen av svulster og andre patologier.

Homolog rekombination er en hendelse som muliggjør reparasjon i DNA, slik at gjenoppretting av tapte sekvenser, ved bruk som en mal den andre DNA-streng (homolog).

Denne metabolske prosessen er tilstede i alle livsformer, og gir en mekanisme av høy troskap som gjør det mulig å reparere "hull" i DNA, dobbeltstrengede brudd og kryssforbindelser mellom DNA-kjeder.

En av de mest relevante konsekvensene av rekombination er genereringen av ny genetisk variasjon. Sammen med mutasjoner er de de to prosessene som genererer variasjon i levende vesener. Husk at variasjon er råmaterialet for evolusjon.

I tillegg gir det en mekanisme for å starte replikasjonsgafler som har blitt skadet.

I bakterier

I bakterier er det hyppige hendelser med horisontal genoverføring. Disse er klassifisert som konjugasjon, transformasjon og transduksjon. Her tar prokaryoter DNA fra en annen organisme, og til og med fra forskjellige arter.

Under disse prosessene skjer homolog rekombination mellom mottakercellen og donorcellen.

mekanisme

Den homologe rekombinasjonen begynner med pause i en av strengene i det kromosomale DNA-molekylet. Etter dette skjer en rekke trinn katalysert av flere enzymer.

3'-enden hvor kuttet oppstår, blir invadert av den dobbelte homologe DNA-streng. Invasjonsprosessen er avgjørende. Med "homolog kjede" vil vi referere til delene av kromosomene som har de samme gene i en lineær rekkefølge, selv om nukleotidsekvensene ikke må være identiske.

synapse

Denne invasjonen av strengen plasserer de homologe kromosomene som vender mot hverandre. Dette fenomenet strandsammenkomst kalles synapsis (ikke å forveksles med synapsene i nevroner, her brukes begrepet med en annen betydning).

Synapset betyr ikke nødvendigvis en direkte kontakt mellom begge homologe sekvenser, DNAet kan fortsette å bevege seg en stund inntil den finner den homologe delen. Denne søkeprosessen kalles homolog justering.

Formasjon av D-sløyfen

Deretter oppstår en hendelse som kalles "invasjon av tråden". Et kromosom er en dobbelt helix av DNA. I homolog rekombination ser to kromosomer etter deres homologe sekvenser. I en av heliklene adskiller strengene seg og denne strengen "invaderer" den dobbelte helixstrukturen, danner strukturen kalt loop D.

Kjeden av D-sløyfen har blitt forskjøvet av invasjonen av strengen som presenterer bruddet og parene med den komplementære strengen av den opprinnelige dobbelte spiral.

Dannelse av Holliday fagforeninger

Det neste trinnet er dannelsen av Holliday-kryssene. Her er endene på de utvekslede trådene koblet sammen. Denne foreningen har evnen til å bevege seg i alle retninger. Foreningen kan bli ødelagt og dannet ved flere anledninger.

Den endelige prosessen med rekombinasjon er oppløsningen av disse veikryssene, og det er to måter eller måter hvor cellen oppnår den. En av dem er splittelsen av foreningen eller en prosess som kalles oppløsning, typisk for eukaryotiske organismer.

I den første mekanismen regenererer brytningen av Hollidays forening to kjeder. I det andre tilfellet av "oppløsning" oppstår en slags sammenbrudd i foreningen.

Proteiner involvert

Et viktig protein i rekombinationsprosessen kalles Rad51 i eukaryotiske celler, og RecA inn Escherichia coli. Det virker i de ulike faser av rekombination: før, under og etter synaps.

Rad51-proteinet letter dannelsen av den fysiske forbindelsen mellom invaderende DNA og herdet DNA. I denne prosessen genereres heteroduplex-DNA.

Rad51, og dens homolog RecA, katalyserer søket etter homologt DNA og utveksling av DNA-tråder. Disse proteinene har evne til å bli med i et enkelt band DNA.

Det er også paralogiske gener (oppsto fra hendelser av gen-duplisering i en rekke organismer) av Rad51, kalt Rad55 og Rad57. Hos mennesker er fem Rad51-paraloggener kalt Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 og Xrcc3 identifisert..

Unormaliteter forbundet med rekombinasjonsprosesser

Siden rekombination krever fysisk binding i kromosomer, er det et viktig skritt i riktig segregering under meiosis. Hvis det ikke oppstår tilstrekkelig rekombinasjon, kan resultatet være en signifikant patologi.

Ikke-disjeksjon av kromosomer eller feil i segregering er en av de hyppigste årsakene til abort og anomalier av kromosomal opprinnelse, slik som tromomi av kromosom 21, som forårsaker Downs syndrom.

Selv om rekombination vanligvis er en ganske presis prosess, er områdene av genomet som gjentas og genene som har flere kopier langs genomet, elementer som er tilbøyelige til å ulik kryssing.

Denne interbreeding produserer forskjellige kliniske trekk, inkludert hyppige sykdommer som thalassemi og autisme..

Anvendelser av rekombinasjon

Molekylære biologer har benyttet seg av kunnskapen om mekanismen for homolog rekombination for å skape forskjellige teknologier. En av disse tillater opprettelse av organismer "knockout".

Disse genetisk modifiserte organismer tillater å belyse funksjonen av et gen av interesse.

En av metodene som brukes til opprettelsen av knockouts den består av undertrykking av uttrykket av det spesifikke genet som erstatter det opprinnelige genet med en modifisert eller "skadet" versjon. Genet utveksles for den muterte versjonen ved hjelp av homolog rekombination.

Andre typer rekombination

I tillegg til homolog eller legitim rekombination finnes det andre typer av genetisk materialeutveksling.

Når områdene av DNA som utveksler materialet er ikke-alleliske (av homologe kromosomer), er resultatet duplisering eller reduksjon av gener. Denne prosessen er kjent som ikke-homolog rekombination eller ulik rekombination.

Sammen kan det genetiske materialet også utveksles mellom søsterkromatider av samme kromosom. Denne prosessen skjer i både den meotiske og mitotiske divisjonen, og kalles ulik utveksling.

referanser

  1. Baker, T. A., Watson, J. D., & Bell, S. P. (2003). Molekylærbiologi av genet. Benjamin-Cummings Publishing Company.
  2. Devlin, T. M. (2004). Biokjemi: lærebok med kliniske anvendelser. Jeg reverserte.
  3. Jasin, M., & Rothstein, R. (2013). Reparasjon av strengbryter ved homolog rekombination. Cold Spring Harbour perspektiver i biologi, 5(11), a012740.
  4. Li, X., & Heyer, W. D. (2008). Homolog rekombination i DNA reparasjon og DNA skade toleranse. Cellforskning, 18(1), 99-113.
  5. Murray, P.R., Rosenthal, K.S., & Pfaller, M.A. (2017). Medisinsk mikrobiologi. Elsevier Helsefag.
  6. Nussbaum, R. L., McInnes, R. R., & Willard, H. F. (2015). Thompson & Thompson genetikk i medisin e-bok. Elsevier Helsefag.
  7. Virgili, R. O., & Taboada, J. M. V. (2006). Menneskelig genom: Nye fremskritt innen forskning, diagnose og behandling. Edicions Universitat Barcelona.