ГОМОЛОГИЧНАЯ РЕКОМБИНАЦИЯ: ФУНКЦИИ, МЕХАНИЗМ И ПРИЛОЖЕНИЯ - БИОЛОГИЯ - 2025

Гомологичная рекомбинация является процессом , который включает в себя обмен между молекулами ДНК подобными или идентичными участками генома. Клетки используют гомологичную рекомбинацию в основном для восстановления разрывов в генетическом материале, создавая генетические вариации в популяциях.

В общем, гомологичная рекомбинация включает в себя физическое спаривание между гомологичными областями генетического материала, за которым следует разрыв цепей, которые будут подвергаться обмену, и, наконец, объединение новых объединенных молекул ДНК.

Рекомбинация между двумя гомологичными хромосомами.
Источник: Emw

Разрывы в ДНК необходимо восстанавливать как можно быстрее и эффективнее. Если повреждение не устранить, последствия могут быть серьезными и даже летальными. У бактерий основной функцией гомологичной рекомбинации является восстановление этих разрывов в генетическом материале.

Гомологичная рекомбинация считается одним из основных механизмов, обеспечивающих стабильность генома. Он присутствует во всех сферах жизни и даже в вирусах, поэтому, по-видимому, это жизненно важный механизм, появившийся на очень раннем этапе эволюции жизни.

Историческая перспектива

Один из наиболее важных принципов, предложенных Грегором Менделем, состоит в независимости в разделении персонажей. Согласно этому закону, различные гены передаются от родителей к ребенку независимо.

Однако в 1900 году стало очевидно, что из этого принципа существуют очень заметные исключения. Английские генетики Бейтсон и Паннетт показали, что во многих случаях определенные черты наследуются вместе, и для этих черт принцип, сформулированный Менделем, не действует.

Последующим исследованиям удалось выяснить существование процесса рекомбинации, при котором клетки были способны обмениваться генетическим материалом. В случаях, когда гены наследовались вместе, обмен ДНК не производился из-за физической близости между генами.

Что такое гомологичная рекомбинация?

Гомологичная рекомбинация - это клеточный феномен, который включает физический обмен последовательностями ДНК между двумя хромосомами. Рекомбинация включает набор генов, известных как гены rec. Они кодируют различные ферменты, участвующие в процессе.

Молекулы ДНК считаются «гомологичными», если они имеют сходные или идентичные последовательности из более чем 100 пар оснований. ДНК имеет небольшие участки, которые могут отличаться друг от друга, и эти варианты известны как аллели.

В живых существах вся ДНК считается рекомбинантной ДНК. Обмен генетическим материалом между хромосомами происходит непрерывно, смешивая и перестраивая гены на хромосомах.

Очевидно, этот процесс происходит в мейозе. В частности, в фазе, когда хромосомы объединяются в пары при первом делении клетки. На этом этапе происходит обмен генетическим материалом между хромосомами.

Исторически этот процесс обозначается в литературе англосаксонским словом кроссинговер. Это событие является одним из результатов гомологичной рекомбинации.

Частота кроссинговера между двумя генами одной и той же хромосомы зависит главным образом от расстояния, которое существует между ними; чем меньше физическое расстояние между ними, тем ниже частота обмена.

Функции и последствия гомологичной рекомбинации

Генетический материал постоянно подвергается повреждениям, вызываемым эндогенными и экзогенными источниками, например, такими как радиация.

По оценкам, клетки человека имеют значительное количество повреждений ДНК, от десятков до сотен в день. Эти повреждения необходимо лечить, чтобы избежать потенциальных вредных мутаций, блоков репликации и транскрипции, а также повреждений на хромосомном уровне.

С медицинской точки зрения повреждение ДНК, которое не восстанавливается должным образом, приводит к развитию опухолей и других патологий.

Гомологичная рекомбинация - это событие, которое позволяет репарацию ДНК, позволяя восстановить утраченные последовательности, используя другую (гомологичную) цепь ДНК в качестве матрицы.

Этот метаболический процесс присутствует во всех формах жизни, обеспечивая надежный механизм, позволяющий восстанавливать «бреши» в ДНК, двухцепочечные разрывы и перекрестные связи между цепями ДНК.

Одно из наиболее важных последствий рекомбинации - создание новых генетических вариаций. Наряду с мутациями, это два процесса, которые порождают вариации у живых существ - помните, что вариации - это сырье для эволюции.

Кроме того, он предоставляет механизм для сброса поврежденных вилок репликации.

В бактериях

У бактерий часты случаи горизонтального переноса генов. Они классифицируются как конъюгация, трансформация и трансдукция. Здесь прокариоты берут ДНК от другого организма и даже от других видов.

Во время этих процессов происходит гомологичная рекомбинация между клеткой-реципиентом и клеткой-донором.

Механизм

Гомологичная рекомбинация начинается с разрыва одной из цепей молекулы хромосомной ДНК. После этого происходит серия стадий, катализируемых множеством ферментов.

3'-конец, на котором происходит разрез, занят гомологичной двойной цепью ДНК. Процесс вторжения имеет решающее значение. Под «гомологичной цепью» мы подразумеваем части хромосом, которые имеют одинаковые гены в линейном порядке, хотя нуклеотидные последовательности не обязательно должны быть идентичными.

Синапс

Это вторжение в цепь размещает гомологичные хромосомы лицом друг к другу. Это явление встречи нитей называется синапсом (не путать с синапсом в нейронах, здесь этот термин используется в другом значении).

Синапс не обязательно подразумевает прямой контакт между обеими гомологичными последовательностями, ДНК может продолжать движение некоторое время, пока не найдет гомологичную часть. Этот процесс поиска называется гомологичным выравниванием.

Формирование D-петли

Затем происходит событие, называемое «вторжением нити». Хромосома - это двойная спираль ДНК. При гомологичной рекомбинации две хромосомы ищут свои гомологичные последовательности. В одной из спиралей нити разделяются, и эта нить «вторгается» в структуру двойной спирали, образуя структуру, называемую D-петлей.

Нить D-петли смещена вторжением разрывающейся нити и соединяется с дополнительной нитью исходной двойной спирали.

Формирование холлидейского перекрестка

Следующим шагом является создание профсоюзов Холлидей. Здесь концы обмененных прядей связываются вместе. Этот союз имеет возможность двигаться в любом направлении. Сустав может ломаться и формироваться несколько раз.

Конечный процесс рекомбинации - это разрешение этих объединений, и есть два пути или способа, которыми клетка достигает этого. Один из них - это расщепление союза или процесс, называемый растворением, типичный для эукариотических организмов.

В первом механизме разрыв соединения Холлидея восстанавливает две цепи. В другом случае «роспуска» происходит своего рода распад союза.

Вовлеченные белки

Важнейший белок в процессе рекомбинации называется Rad51 в эукариотических клетках и RecA в Escherichia coli. Он работает в разных фазах рекомбинации: до, во время и после синапса.

Белок Rad51 способствует образованию физической связи между вторгающейся ДНК и темперированной ДНК. В этом процессе генерируется гетеродуплексная ДНК.

Rad51 и его аналог RecA катализируют поиск гомологичной ДНК и обмен цепями ДНК. Эти белки обладают способностью кооперативно связываться с однополосной ДНК.

Существуют также гены-паралоги Rad51 (возникшие в результате событий дублирования генов в родословной организмов), называемые Rad55 и Rad57. У человека идентифицировано пять генов паралога Rad51, обозначенных Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 и Xrcc3.

Аномалии, связанные с процессами рекомбинации

Поскольку рекомбинация требует физического связывания хромосом, это важный шаг в правильной сегрегации во время мейоза. Если правильная рекомбинация не происходит, результатом может быть серьезная патология.

Нерасхождение хромосом или ошибки сегрегации являются одной из наиболее частых причин выкидышей и аномалий хромосомного происхождения, таких как трисомия 21 хромосомы, вызывающая синдром Дауна.

Хотя рекомбинация обычно представляет собой довольно точный процесс, повторяющиеся участки генома и гены, имеющие несколько копий по всему геному, склонны к неравномерному кроссоверу.

Это скрещивание приводит к появлению различных клинически значимых признаков, включая общие заболевания, такие как талассемия и аутизм.

Приложения рекомбинации

Молекулярные биологи воспользовались знанием механизма гомологичной рекомбинации для создания различных технологий. Один из них позволяет создавать «нокаутирующие» организмы.

Эти генетически модифицированные организмы позволяют выяснить функцию интересующего гена.

Одна из методологий, используемых для создания нокаутов, заключается в подавлении экспрессии определенного гена, замене исходного гена модифицированной или «поврежденной» версией. Ген заменяется на мутированную версию посредством гомологичной рекомбинации.

Другие виды рекомбинации

Помимо гомологичной или законной рекомбинации, существуют другие типы обмена генетическим материалом.

Когда участки ДНК, которые обмениваются материалом, неаллельны (гомологичные хромосомы), результатом является дублирование или сокращение генов. Этот процесс известен как негомологичная рекомбинация или неравная рекомбинация.

Вместе генетический материал также может обмениваться сестринскими хроматидами на одной хромосоме. Этот процесс происходит как в мейотическом, так и в митотическом делении и называется неравным обменом.

Ссылки

1. Бейкер Т.А., Уотсон Дж. Д. и Белл С. П. (2003). Молекулярная биология гена. Издательство Бенджамин-Каммингс.
2. Девлин, Т.М. (2004). Биохимия: учебник с клиническими приложениями. Я поменял направление.
3. Ясин, М., и Ротштейн, Р. (2013). Ремонт разрывов цепей путем гомологичной рекомбинации. Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии, 5 (11), a012740.
4. Ли, X., и Хейер, WD (2008). Гомологичная рекомбинация в репарации ДНК и устойчивости к повреждению ДНК. Клеточные исследования, 18 (1), 99-113.
5. Мюррей, PR, Розенталь, Канзас, и Пфаллер, Массачусетс (2017). Медицинская микробиология. Elsevier Health Sciences.
6. Нуссбаум Р.Л., Макиннес Р.Р. и Уиллард Х.Ф. (2015). Электронная книга Томпсона и Томпсона по генетике в медицине. Elsevier Health Sciences.
7. Вирджили, Р. О. и Табоада, JMV (2006). Геном человека: новые достижения в исследованиях, диагностике и лечении. Издания Universitat Barcelona.