ГЕНЕТИЧЕСКАЯ РЕКОМБИНАЦИЯ: ВИДЫ И МЕХАНИЗМЫ - БИОЛОГИЯ - 2025

Генетическая рекомбинация является процессом , при котором молекула нуклеиновых кислот фрагментов обменена генерации новой молекулы. Это очень распространено в ДНК, но РНК также является субстратом для рекомбинации. После мутации рекомбинация является наиболее важным источником генетической изменчивости.

ДНК участвует в разных биохимических процессах. Во время репликации он служит шаблоном для генерации двух новых молекул ДНК. При транскрипции это позволяет генерировать молекулы РНК из определенных областей, контролируемых промотором.

Общие этапы рекомбинации ДНК. Юрген Боде, через Wikimedia Commons

Но помимо этого ДНК также способна обмениваться фрагментами. Благодаря этому процессу он генерирует новые комбинации, которые не являются продуктом двух предыдущих процессов или оплодотворения.

Весь процесс рекомбинации включает разрыв и соединение молекул ДНК, которые участвуют в этом процессе. Этот механизм варьируется в зависимости от субстрата рекомбинации, ферментов, участвующих в процессе, и механизма его выполнения.

Рекомбинация обычно зависит от наличия дополнительных, подобных (если не идентичных) или гомологичных областей между рекомбинирующими молекулами. В случае, когда молекулы рекомбинируют в процессах, не подчиняющихся гомологии, рекомбинация считается негомологичной.

Если гомология включает очень короткий участок, присутствующий в обеих молекулах, говорят, что рекомбинация является сайт-специфичной.

Определение

То, что мы называем гомологией в рекомбинации, не обязательно относится к эволюционному происхождению участвующих молекул. Скорее, речь идет о степени сходства нуклеотидной последовательности.

Нерепаративная рекомбинация, например, происходит у эукариот в процессе мейоза. Несомненно, не может быть большей гомологии, чем между парами хромосом в одной и той же клетке.

Вот почему их называют гомологичными хромосомами. Однако бывают случаи, когда ДНК клетки обменивается материалом с чужеродной ДНК. Эти ДНК должны быть очень похожи на рекомбинируемые, но они не обязательно должны иметь одного и того же предка (гомологию) для достижения этого.

Хиазм и кроссовер

Место прикрепления и обмена между двумя молекулами ДНК называется хиазмой, а сам процесс называется перекрестным связыванием. Во время кроссовера проверяется обмен полосой между участвующими ДНК.

Это создает коинтеграты, которые представляют собой две молекулы ДНК, физически объединенные в одну. Когда коинтеграция «рассасывается», образуются две молекулы, обычно измененные (рекомбинантные).

В контексте рекомбинации «решить» означает разделить составляющие молекулы ДНК коинтеграции.

Типы генетической рекомбинации

-Специальная рекомбинация

При сайт-специфической рекомбинации две молекулы ДНК, обычно не гомологичные, имеют короткую последовательность, общую для обеих. Эта последовательность является мишенью для определенного фермента сплайсинга.

Фермент, способный распознавать эту последовательность, а не другую, разрезает ее в определенном месте в обеих молекулах. С помощью некоторых других факторов он меняет местами полосы ДНК двух участвующих молекул и образует коинтеграцию.

кишечная палочка

Это является основой для образования коинтеграта между геномом бактерии Escherichia coli и геномом бактериофага лямбда. Бактериофаг - это вирус, поражающий бактерии.

Формирование этого коинтеграта осуществляется ферментом, кодируемым в геноме вируса: лямбда-интегразой. Он распознает общую последовательность, называемую attP в кольцевом геноме вируса, и attB в геноме бактерии.

Разрезая обе последовательности в обеих молекулах, он генерирует свободные сегменты, меняет местами полосы и соединяет два генома. Затем образуется более крупный или коинтегрированный круг.

При коинтеграции вирусный геном пассивно переносится бактериальным геномом, с которым он реплицируется. В этом состоянии говорят, что вирус находится в состоянии провируса, и что бактерия является лизогенной для него.

Обратный процесс, то есть разрешение коинтеграции, может занять много поколений - или даже не произойти. Однако это ферментативно опосредовано другим белком, кодируемым геномом вируса, который называется эксцизионазой. Когда это происходит, вирус отделяется от коинтегратора, реактивируется и вызывает лизис клеток.

-Гомологичная рекомбинация

Обобщенная рекомбинация

Гомологичная рекомбинация происходит между молекулами ДНК, которые имеют по крайней мере около 40 нуклеотидов полного или почти полного сходства. Чтобы осуществить процесс рекомбинации, должна быть задействована как минимум одна эндонуклеаза.

Эндонуклеазы - это ферменты, которые делают внутренние разрезы в ДНК. Некоторые делают это, чтобы разрушить ДНК. Другие, как в случае рекомбинации, делают это для образования вмятины в ДНК.

Этот уникальный ник позволяет обрабатывать однополосную ДНК со свободным концом. Этот свободный конец, ориентированный рекомбиназой, позволяет одиночной полосе проникать в двойную ДНК, вытесняя идентичную ей резидентную полосу.

Это точка кроссинговера между донорной («захватывающей») молекулой ДНК и другим рецептором.

Фермент (рекомбиназа), который осуществляет процесс инвазии и обмена полос у Escherichia coli, называется RecA. У прокариот есть и другие гомологичные белки, такие как RadA у архей. У эукариот эквивалентный фермент называется RAD51.

Как только инвазивная полоса вытесняет резидент, она взаимодействует с полосой, которая осталась простой в молекуле донора. Оба сайта закрыты действием лигазы.

Теперь у нас есть гибридная полоса ДНК (донорская полоса и реципиентная полоса различного происхождения), фланкированная ДНК донора и ДНК реципиента. Точки кроссовера (хиазмы) перемещаются в обоих направлениях не менее чем на 200 п.н.

Каждая точка кроссовера формирует так называемую структуру Холлидея (крестообразный продукт ДНК в результате рекомбинации).

Эта крестообразная ДНК должна расщепляться другими эндонуклеазами. Химерная или гибридная ДНК этой структуры может быть разделена двумя способами. Если второй разрез эндонуклеотида происходит в той же полосе, что и первый, рекомбинации не происходит. Если второй разрез происходит на другой полосе, полученные продукты являются рекомбинантными.

Рекомбинантная ДНК в структуре Холлидея. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Mao-4armjunction-schematic.png.

Рекомбинация V (D) J

Это тип соматической рекомбинации (не мейотической), которая способствует образованию огромной изменчивости антител иммунной системы.

Эта рекомбинация имеет место в определенных фрагментах генов, которые кодируют полипептидные цепи, которые их определяют. Он осуществляется В-клетками и включает различные генетические области.

Интересно, что существуют паразиты, такие как Trypanosoma brucei, которые используют аналогичный механизм рекомбинации для создания вариабельности поверхностного антигена. Таким образом, они могут уклониться от ответа хозяина, если хозяин не может генерировать антитело, способное распознавать «новый» антиген.

Разнообразие антител, созданных рекомбинацией. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Cambio_clase_recombinacion.PNG

-Негомологичная рекомбинация

Наконец, существуют процессы рекомбинации, не зависящие от сходства в последовательности участвующих молекул. Например, у эукариот рекомбинация негомологичных концов очень важна.

Это происходит с фрагментами ДНК, которые показывают двойной разрыв полосы в ДНК. Они «ремонтируются» клеткой, соединяя их с другими фрагментами также с двойным разрывом ленты.

Однако эти молекулы не обязательно должны быть подобными, чтобы участвовать в этом процессе рекомбинации. То есть, устраняя повреждение, клетка может присоединяться к неродственным ДНК, создавая таким образом действительно новую (рекомбинантную) молекулу.

Важность рекомбинации

Важность как причина: репликация и восстановление ДНК

Рекомбинация обеспечивает точность информации ДНК во время и после процесса репликации. Рекомбинация обнаруживает повреждение ДНК во время нового процесса связывания в этой чрезвычайно длинной макромолекуле.

Поскольку каждая полоса имеет свою собственную информацию и информацию о своей дополнительной, рекомбинация гарантирует, что никакая информация не будет потеряна. Каждый действует как свидетель для другого. Точно так же у диплоидных организмов гомологичная хромосома свидетельствует о своем родном брате, и наоборот.

С другой стороны, после репликации ДНК механизмы восстановления повреждений этой молекулы изменяются. Некоторые из них являются прямыми (на травму воздействуют напрямую), а другие - косвенными.

Механизмы косвенной репарации зависят от протекания рекомбинации. То есть для восстановления повреждения в молекуле ДНК используется другая гомологичная молекула. Это будет действовать в репаративной рекомбинации как шаблон, от которого он пострадал.

Важность как следствие: создание генетической изменчивости

Рекомбинация способна создавать огромное разнообразие хромосом во время мейоза. Соматическая рекомбинация также порождает изменчивость, как в случае антител у позвоночных.

У многих организмов мейоз является гаметическим. У организмов, размножающихся половым путем, рекомбинация оказывается одним из самых мощных способов создания изменчивости.

Другими словами, к спонтанной мутации и сегрегации хромосом необходимо добавить рекомбинацию как еще один элемент, который создает изменчивость гамет.

С другой стороны, интеграция геномов бактериофагов путем сайт-специфической рекомбинации внесла вклад в ремоделирование генома их бактерий-хозяев.

Это способствовало возникновению геномной изменчивости и эволюции этой важной группы живых существ.

Рекомбинация и здоровье

Мы уже видели, что ДНК можно восстановить, но не то, что ее повреждает. На самом деле почти все может повредить ДНК, начиная с неисправной репликации, которая остается неисправленной.

Но помимо этого, ДНК может быть повреждена ультрафиолетовым светом, ионизирующим излучением, свободными радикалами кислорода от клеточного дыхания, а также тем, что мы едим, курим, дышим, глотаем или прикасаемся.

К счастью, для защиты ДНК не нужно отказываться от жизни. От некоторых вещей нужно отказаться, но большую работу делает сама ячейка. Эти механизмы обнаружения повреждений ДНК и их восстановления, очевидно, имеют генетическую основу, а их недостаток - огромные последствия.

Заболевания, связанные с дефектами гомологичной рекомбинации, включают, например, синдромы Блума и Вернера, семейный рак груди и яичников и т. Д.

Ссылки

1. Альбертс, Б., Джонсон, А.Д., Льюис, Дж., Морган, Д., Рафф, М., Робертс, К., Уолтер, П. (2014) Молекулярная биология клетки (6-е издание). WW Norton & Company, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США.
2. Белл, Дж. К., Ковальчиковски, С. К. (2016) Механика и исследование одиночных молекул рекомбинации ДНК. Ежегодный обзор биохимии, 85: 193-226.
3. Прадо, Ф. () Гомологичная рекомбинация: к развилке и за ее пределами. Гены, doi: 10.3390 / genes9120603
4. Гриффитс, AJF, Весслер, Р., Кэрролл, С.Б., Добли, Дж. (2015). Введение в генетический анализ (11-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США.
5. Tock, AJ, Henderson, IR (2018) Горячие точки для инициации мейотической рекомбинации. Границы генетики, DOI: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Вал, А., Баттести, А., Ансальди, М. (2018) Профаги в Salmonella enterica: движущая сила в изменении генома и физиологии их бактериального хозяина? Молекулярная микробиология, DOI: 10,1111 / mmi.14167.
7. Райт, В.Д., Шах, С.С., Хейер, В.Д. (2018) Гомологичная рекомбинация и восстановление двухцепочечных разрывов ДНК. Журнал биологической химии, 293: 10524-10535