Типи та механізми генетичної рекомбінації



The генетична рекомбінація є процесом, за допомогою якого молекули нуклеїнової кислоти обмінюються фрагментами, що генерують нову молекулу. Вона дуже поширена в ДНК, але РНК також є субстратом для рекомбінації. Рекомбінація після мутації є найважливішим джерелом генетичної мінливості.

ДНК бере участь у різних біохімічних процесах. Під час реплікації він служить шаблоном для генерації двох нових молекул ДНК. У транскрипції вона дозволяє генерувати молекули РНК з конкретних областей, контрольованих промотором.

Але крім цього, ДНК також здатна обмінюватися фрагментами. Завдяки цьому процесу генеруються нові комбінації, які не є продуктом двох попередніх процесів, ні запліднення.

Будь-який процес рекомбінації включає розрив і зв'язування молекул ДНК, що беруть участь у процесі. Цей механізм змінюється в залежності від того, яким є рекомбінаційний субстрат, ферменти, залучені в процес, і механізм його виконання \ t.

Рекомбінація зазвичай залежить від існування комплементарних областей, аналогічних (якщо не ідентичних), або гомологічних між рекомбінуючими молекулами. У випадку, якщо вони рекомбінують молекули в процесах, що не керуються гомологією, то кажуть, що рекомбінація не є гомологічною.

Якщо гомологія включає дуже коротку область, присутню в обох молекулах, то кажуть, що рекомбінація є специфічною для сайту.

Індекс

  • 1 Визначення
    • 1.1 Кіазм і зшивання
  • 2 Види генетичної рекомбінації
    • 2.1-Спеціальна рекомбінація
    • 2.2-Гомологічна рекомбінація
    • 2.3 - Негомологічна рекомбінація
  • 3 Важливість рекомбінації
    • 3.1 Значення як причина: реплікація та репарація ДНК
    • 3.2 Важливість як наслідок: генерація генетичної мінливості
    • 3.3 Рекомбінація та здоров'я
  • 4 Посилання

Визначення

Те, що ми називаємо гомологією в рекомбінації, не обов'язково натякає на еволюційне походження молекул-учасників. Йдеться більше про ступінь подібності в нуклеотидної послідовності.

Нерепаративна рекомбінація, наприклад, відбувається у еукаріотів під час мейозного процесу. Безсумнівно, не може бути більшої гомології, ніж між парами хромосом в одній клітині.

Саме тому їх називають гомологічними хромосомами. Однак існують випадки, коли ДНК клітини обмінюється матеріалом з чужорідною ДНК. Ці ДНК повинні бути дуже схожі на рекомбінацію, але вони не обов'язково повинні розділяти одного предка (гомології) для досягнення його.

Хіазм і перехресні зв'язки

Сайт об'єднання і обміну між двома молекулами ДНК називається хиазмом, а процес як такий - зшиванням. Під час перехрещення перевіряється обмін смугами між учасниками ДНК.

Це породжує коінтеграцію, яка є двома молекулами ДНК, фізично об'єднаними в одну. Коли коінтеграція "вирішена", генеруються дві молекули, які зазвичай змінюються (рекомбінантні).

"Розв'язувати", в контексті рекомбінації, є відділення молекул ДНК від компонентів коинтеграта.

Види генетичної рекомбінації

-Сайт-специфічна рекомбінація

У сайт-специфічній рекомбінації дві молекули ДНК, як правило, не гомологічні, мають коротку послідовність, спільну для обох. Ця послідовність націлена на специфічний фермент сплайсингу.

Фермент, здатний розпізнавати цю послідовність, а не іншу, розрізає його на певному місці в обох молекулах. За допомогою деяких інших факторів він обмінює смуги ДНК двох молекул, що беруть участь, і формує коінтеграцію.

Escherichia coli і лямбда

Це є основою формування коінтеграції між геномом бактерії Escherichia coli і лямбда бактеріофага. Бактеріофаг - це вірус, який заражає бактерії.

Освіта цього коинтеграта здійснюється ферментом, кодованим в геномі вірусу: лямбда-інтеграза. Це визнає загальну послідовність, яку називають attP в циркулярному геномі вірусу, і attB в бактерії.

Розрізаючи обидві послідовності в обох молекулах, він генерує вільні сегменти, обмінює смуги і об'єднує два геноми. Більш велике коло формується або коінтегрується.

У коинтегрированном, геном вірусу пасивно переноситься бактеріальним геномом, з яким він реплікується. У цьому стані сказано, що вірус знаходиться в стані провірусу, і що бактерія є лізогенною для того ж самого..

Обернений процес, тобто коінтегрований дозвіл, може займати багато поколінь - або навіть не відбуватися. Однак, якщо це зроблено, він ферментативно опосередковується іншим білком, кодованим геномом вірусу, який називається ексцизиаза. Коли це відбувається, вірус відокремлюється від коінтеграта, реактивується і викликає лізис клітин.

-Гомологічна рекомбінація

Узагальнена рекомбінація

Гомологічна рекомбінація перевірена між молекулами ДНК, які мають принаймні 40 нуклеотидів повної або майже повної подібності. Для здійснення процесу рекомбінації повинна брати участь щонайменше одна ендонуклеаза.

Ендонуклеази є ферментами, які генерують внутрішні розрізи в ДНК. Деякі роблять це, щоб приступити до деградації ДНК. Інші, як і у випадку рекомбінації, роблять це так, щоб генерувати вставку в ДНК.

Цей унікальний нік дозволяє обробляти одну смугу ДНК з вільним кінцем. Цей вільний кінець, керований рекомбиназой, дозволяє одній смузі вторгнутися в подвійну ДНК, змістивши резидентну смугу, ідентичну йому.

Це точка перетину, між донорською молекулою ДНК ("загарбник") і іншим одержувачем.

Фермент (рекомбиназа), що здійснює процес інвазії і обміну смуг в Росії Escherichia coli це називається RecA. Є й інші гомологічні білки в прокаріотів, такі як RadA в археях. У еукаріотів еквівалентний фермент називається RAD51.

Як тільки вторгаються банди витісняють резидента, воно взаємодіє з смугою, що залишилася простою в донорській молекулі. Обидві точки запечатуються дією лігази.

Тепер ми маємо ДНК з гібридних смуг (донорська смуга і смуга рецепторів, різного походження), оточені ДНК донора і ДНК-реципієнта. Точки перетину (chiasmas) рухаються в обох напрямках не менше 200 bp.

Кожна точка зшивання утворює те, що відомо як холідейная структура (хрестоподібна ДНК, що виникає внаслідок рекомбінаційної події)..

Ця хрестоподібна ДНК повинна бути вирішена іншими эндонуклеазами. Гібридну або химерну ДНК цієї структури можна вирішити двома способами. Якщо другий розріз ендонуклеотидів відбувається в тій же смузі, в якій відбувався перший, рекомбінація не генерується. Якщо другий розріз відбувається в іншій смузі, то отримані продукти є рекомбінантними.

Рекомбінація V (D) J

Це тип соматичної рекомбінації (не мейотичний), що сприяє генерації величезної мінливості антитіл імунної системи.

Ця рекомбінація перевіряється, зокрема, на фрагменти генів, які кодують поліпептидні ланцюги, що їх визначають. Вона здійснюється В-клітинами і включає різні генетичні області.

Цікаво, що є паразити Trypanosoma brucei які використовують аналогічний механізм рекомбінації для створення варіабельності поверхневого антигену. Таким чином, вони можуть ухилятися від відповіді господаря, якщо він не в змозі генерувати антитіло, здатне розпізнавати «новий» антиген..

-Негомологічна рекомбінація

Нарешті, існують процеси рекомбінації, які не залежать від подібності послідовностей молекул-учасників. У еукаріотів це дуже важливо, наприклад, рекомбінація негомологічних кінців.

Це відбувається з фрагментами ДНК, які мають подвійні розриви в ДНК. Вони "відремонтовані" кліткою, що з'єднує їх з іншими фрагментами однаково з подвійними розривами смуги.

Однак ці молекули не обов'язково повинні бути подібними для участі в цьому процесі рекомбінації. Тобто, виправляючи пошкодження, клітина може пов'язувати незв'язані ДНК, створюючи дійсно нову (рекомбінантну) молекулу. 

Важливість рекомбінації

Важливість як причина: реплікація і репарація ДНК

Рекомбінація гарантує вірність ДНК-інформації під час і після процесу реплікації. Рекомбінація виявляє пошкодження ДНК під час процесу створення нових смуг в цій надзвичайно довгому макромолекулі.

Оскільки кожна група має свою власну інформацію, а також її доповнення, рекомбінація гарантує, що жодна з них не буде втрачена. Кожен з них діє як свідок для іншого. Аналогічно, в диплоїдних організмах гомологічна хромосома є свідком свого брата, і навпаки.

З іншого боку, як тільки реплікація ДНК відбувається, механізми ушкодження цієї молекули різноманітні. Деякі з них прямі (діють безпосередньо на травму), інші - непрямі.

Механізми непрямого ремонту залежать від проведеної рекомбінації. Тобто для відновлення пошкодження в одній молекулі ДНК використовується інша гомологічна молекула. Це буде діяти в репаративній рекомбінації як цвіль, яка зазнала шкоди.

Важливість як наслідок: генерація генетичної мінливості

Рекомбінація здатна створювати величезну хромосомну мінливість під час мейозу. Соматична рекомбінація також генерує варіабельність, як у випадку антитіл у хребетних.

У багатьох організмах мейоз - гаметіка. У організмах з статевим розмноженням рекомбінація виявляється одним з найпотужніших способів генерування мінливості.

Тобто до спонтанної мутації та сегрегації хромосом необхідно додати рекомбінацію як інший генераторний елемент гаметної мінливості.

З іншого боку, інтеграція геномів бактеріофагів шляхом специфічної рекомбінації на місцях сприяла ремоделюванню генома їх бактеріальних бактерій..

Це сприяло генерації геномної мінливості і еволюції цієї важливої ​​групи живих істот.

Рекомбінація і здоров'я

Ми вже бачили, що ДНК може бути відремонтована, але не те, що її шкодить. Власне, майже все може пошкодити ДНК, починаючи з дефектної реплікації, яка не виправлена.

Але крім того, ДНК може бути пошкоджена ультрафіолетовим світлом, іонізуючим випромінюванням, вільним радикалом кисню продуктом клітинного дихання, і тим, що ми їмо, куримо, дихаємо, їмо або торкаємося.

На щастя, вам не потрібно відмовлятися від життя, щоб захистити ДНК. Треба відмовитися від певних речей, але велику роботу виконує сама клітина. Ці механізми виявлення пошкоджень ДНК і її ремонту, очевидно, мають генетичну основу, а її дефіцит, величезні наслідки \ t.

Захворювання, пов'язані з дефектами гомологічної рекомбінації, включають, наприклад, синдроми Блума і Вернера, сімейний рак молочної залози і яєчників тощо..

Список літератури

  1. Alberts, B., Johnson, A.D., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6-е видання). W. Norton & Company, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США.
  2. Bell, J.C., Kowalczykowski, S.C. (2016) Механіка та одномолекулярні опитування рекомбінації ДНК. Щорічний огляд біохімії, 85: 193-226.
  3. Prado, F. () Гомологічна рекомбінація: Fork and Beyond. Гени, doi: 10.3390 / genes9120603
  4. Griffiths, A.J.F., Wessler, R., Carroll, S.B., Doebley, J. (2015). Введення в генетичний аналіз (11-е видання). Нью-Йорк: У. Г. Фрімен, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США.
  5. Tock, A.J., Henderson, I.R. (2018) Гарячі точки для ініціювання мейотичної рекомбінації. Кордони в генетиці, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
  6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) Профаги в Росії Salmonella enterica: рушійна сила у зміні генома і фізіології свого бактеріального господаря? Молекулярна мікробіологія, doi: 10.1111 / mmi.14167.
  7. Wright, W.D., Shah, S., Heyer, W. D. (2018) Гомологічна рекомбінація і репарація ДНК дволанцюгових розривів. Journal of Biological Chemistry, 293: 10524-10535