Поділитися:
Гомологічні функції рекомбінації, механізм і застосування
The гомологічною рекомбінацією це процес, який передбачає обмін молекулами ДНК між подібними або ідентичними ділянками геному. Клітини використовують гомологічну рекомбінацію, головним чином для відновлення розривів у генетичному матеріалі, генеруючи генетичну варіацію в популяціях.
Взагалі, гомологічна рекомбінація передбачає фізичне сполучення між гомологічними зонами генетичного матеріалу з наступним розривом ланцюгів, що підлягають обміну, і, нарешті, об'єднання нових молекул ДНК..
Перерви в ДНК необхідно ремонтувати якомога швидше і ефективніше. Коли пошкодження не відремонтовані, наслідки можуть бути серйозними і навіть смертельними. У бактерій головною функцією гомологічної рекомбінації є відновлення цих розривів у генетичному матеріалі.
Гомологічна рекомбінація вважається одним з основних механізмів, що дозволяють забезпечити стабільність геному. Він присутній у всіх сферах життя і навіть у вірусах, тому, мабуть, це життєвий механізм, який з'явився дуже рано в еволюції життя.
Індекс
- 1 Історична перспектива
- 2 Що таке гомологічна рекомбінація?
- 3 Функції та наслідки гомологічної рекомбінації
- 3.1 У бактерій
- 4 Механізм
- 4.1 Синапси
- 4.2 Навчання циклу D
- 4.3 Формування холідейських союзів
- 4.4 Белки, що беруть участь
- 5 Аномалії, пов'язані з процесами рекомбінації
- 6 Застосування рекомбінації
- 7 Інші типи рекомбінації
- 8 Посилання
Історична перспектива
Одним з найбільш релевантних принципів, запропонованих Грегором Менделем, є незалежність у сегрегації персонажів. Відповідно до цього закону, різні гени передаються від батьків до дітей самостійно.
Проте в 1900 р. Було очевидним наявність дуже помітних винятків з цього принципу. Англійські генетики Bateson і Punnett продемонстрували, що багато разів певні персонажі успадковуються разом, і для цих особливостей принцип, проголошений Менделем, не має жодного значення.
Більш пізні дослідження дозволили з'ясувати наявність процесу рекомбінації, коли клітини могли обмінюватися генетичним матеріалом. У випадках, коли гени успадкували разом, ДНК не обмінювалася через фізичну близькість між генами.
Що таке гомологічна рекомбінація?
Гомологічна рекомбінація є клітинним явищем, яке включає фізичний обмін послідовностей ДНК між двома хромосомами. Рекомбінація включає набір генів, відомих як гени rec. Ці коди для різних ферментів, що беруть участь у процесі.
Молекули ДНК вважаються "гомологічними", коли вони поділяють подібні або ідентичні послідовності понад 100 пар основ. ДНК має малі області, які можуть відрізнятися один від одного, і ці варіанти відомі як алелі.
У живих істотах вся ДНК вважається рекомбінантною ДНК. Обмін генетичного матеріалу між хромосомами відбувається безперервно, змішуючи і переставляючи гени в хромосомах.
Цей процес відбувається явно в мейозі. Конкретно в фазі, де хромосоми спарені в першому клітинному поділі. На цьому етапі відбувається обмін генетичним матеріалом між хромосомами.
Історично цей процес у літературі позначається англосаксонським словом перетинання. Ця подія є одним з результатів гомологічної рекомбінації.
Частота перетинання між двома генами однієї хромосоми залежить головним чином від відстані між ними; Чим менше фізична відстань між ними, тим нижче частота обміну.
Функції та наслідки гомологічної рекомбінації
Генетичний матеріал постійно піддається пошкодженню, викликаному ендогенними та екзогенними джерелами, наприклад, випромінюванням.
Підраховано, що людські клітини представляють значну кількість уражень в ДНК, порядку десятків до сотень в день. Ці пошкодження необхідно усунути, щоб уникнути потенційних шкідливих мутацій, блокування реплікації, транскрипції та пошкодження на хромосомному рівні.
З медичної точки зору, пошкодження ДНК, які не відремонтовані коректно, призводять до розвитку пухлин та інших патологій.
Гомологічна рекомбінація є подією, яка дозволяє відновлювати ДНК, дозволяючи відновити втрачені послідовності, використовуючи в якості матриці іншу нитку ДНК (гомологічну)..
Цей метаболічний процес присутній у всіх формах життя, забезпечуючи механізм високої вірності, що дозволяє відновлювати "прогалини" в ДНК, дволанцюгові розриви і поперечні зв'язки між ланцюгами ДНК.
Одним з найбільш актуальних наслідків рекомбінації є генерування нових генетичних варіацій. Разом з мутаціями, це два процеси, які генерують варіації в живих істотах - пам'ятайте, що варіація є сировиною для еволюції.
Крім того, він надає механізм для перезапуску вилки реплікації, які були пошкоджені.
У бактерій
У бактерій спостерігаються часті події горизонтального переносу генів. Вони класифікуються як кон'югація, трансформація і трансдукція. Тут прокаріоти беруть ДНК з іншого організму і навіть з різних видів.
Під час цих процесів гомологічна рекомбінація відбувається між клітиною-реципієнтом і донорською клітиною.
Механізм
Гомологічна рекомбінація починається з розриву в одній з ниток хромосомної молекули ДНК. Після цього відбувається серія етапів, що каталізуються множинними ферментами.
3'-кінець, де відбувається розріз, вторгається подвійною гомологічною ланцюгом ДНК. Процес вторгнення має вирішальне значення. З "гомологічною ланцюгом" ми хочемо посилатися на частини хромосом, які мають однакові гени в лінійному порядку, хоча нуклеотидні послідовності не повинні бути ідентичними..
Синапси
Ця інвазія нитки розміщує гомологічні хромосоми один на одного. Це явище зустрічі ниток називається синапсисом (не слід плутати з синапсами в нейронах, тут термін використовується з іншим значенням).
Синапс не обов'язково передбачає прямий контакт між обома гомологічними послідовностями, ДНК може продовжувати рухатися протягом часу, поки не знайде гомологічну частину. Цей процес пошуку називається гомологічним вирівнюванням.
Формування D-петлі
Потім відбувається подія, що називається "вторгненням потоку". Хромосома є подвійною спіраллю ДНК. При гомологічній рекомбінації дві хромосоми шукають свої гомологічні послідовності. У одній з спіралей нитки відокремлені і ця нитка "вторгається" в структуру подвійної спіралі, утворюючи структуру, звану петлю D.
Ланцюг D-петлі був зміщений вторгненням нитки, яка представляє розрив і пари з комплементарною ланцюгом вихідної подвійної спіралі.
Формування холідейських союзів
Наступним кроком є формування переходів Холлідей. Тут кінці обмінних потоків пов'язані між собою. Цей союз має можливість рухатися в будь-якому напрямку. Союз може бути розбитий і утворений багаторазово.
Остаточним процесом рекомбінації є дозвіл цих переходів і існують два шляхи або способи, якими вона досягає. Одним з них є розщеплення союзу або процес, що називається розчиненням, типовим для еукаріотичних організмів.
У першому механізмі розрив союзу Холідей регенерує дві ланцюги. В іншому випадку "розпуску" відбувається свого роду колапс у союзі.
Белки беруть участь
Найважливішим білком процесу рекомбінації називається Rad51 в еукаріотичних клітинах, а RecA в Escherichia coli. Вона працює в різних фазах рекомбінації: до, під час і після синапсу.
Білок Rad51 сприяє формуванню фізичного зв'язку між вторгненням ДНК і загартованої ДНК. У цьому процесі генеродуплексна ДНК генерується.
Rad51 і його гомолог RecA каталізують пошук гомологічної ДНК і обміну нитками ДНК. Ці білки мають здатність спільно приєднуватися до однієї смуги ДНК.
Існують також паралогічні гени (породжені від подій генної дуплікації в родоводі організмів) Rad51, які називаються Rad55 і Rad57. У людини було ідентифіковано п'ять паралових генів Rad51, які називаються Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 і Xrcc3..
Аномалії, пов'язані з процесами рекомбінації
Оскільки рекомбінація вимагає фізичного зв'язування в хромосомах, це є важливим кроком у правильній сегрегації під час мейозу. Якщо адекватної рекомбінації не відбувається, результатом може стати значна патологія.
Недиз'юнкція хромосом або помилки в сегрегації є однією з найчастіших причин абортів і аномалій хромосомного походження, таких як трисомія хромосоми 21, що викликає синдром Дауна..
Хоча рекомбінація, як правило, є досить точним процесом, області генома, які повторюються, і гени, які мають багаторазові копії вздовж геному, є елементами, схильними до нерівний перетин.
Це схрещування дає різні клінічні особливості, включаючи часті захворювання, такі як таласемія і аутизм..
Застосування рекомбінації
Молекулярні біологи скористалися знанням механізму гомологічної рекомбінації для створення різних технологій. Одна з них дозволяє створити організми "нокаут".
Ці генетично модифіковані організми дозволяють з'ясувати функцію цікавить гена.
Одна з методологій, що використовуються для створення нокаути він складається з придушення експресії специфічного гена, що замінює вихідний ген модифікованим або "пошкодженим" варіантом. Ген обмінюється на мутовану версію за допомогою гомологічної рекомбінації.
Інші типи рекомбінації
Крім гомологічної або легітимної рекомбінації, існують і інші види обміну генетичного матеріалу.
Коли області ДНК, які обмінюються матеріалом, є неаллельними (з гомологічних хромосом), результатом є дублювання або зменшення генів. Цей процес відомий як негомологічна рекомбінація або нерівна рекомбінація.
Разом генетичний матеріал може обмінюватися між сестринськими хроматидами тієї ж хромосоми. Цей процес відбувається як у мейотичному, так і в мітотичному поділі і називається нерівним обміном.
Список літератури
- Бейкер, Т. А., Уотсон, Дж. Д., і Белл, С. П. (2003). Молекулярна біологія гена. Видавнича компанія Benjamin-Cummings.
- Девлін, Т. М. (2004). Біохімія: підручник з клінічними застосуваннями. Я повернувся назад.
- Jasin, M., & Rothstein, R. (2013). Ремонт розривів ниток шляхом гомологічної рекомбінації. Перспективи Cold Spring Harbor в біології, 5(11), a012740.
- Li, X., & Heyer, W. D. (2008). Гомологічна рекомбінація в репарації ДНК і толерантність до пошкоджень ДНК. Дослідження клітин, 18(1), 99-113.
- Мюррей, П.Р., Розенталь, К.С., & Пфалер, М.А. (2017). Медична мікробіологія. Elsevier Health Sciences.
- Nussbaum, R. L., McInnes, R. R., & Willard, H. F. (2015). Thompson & Thompson генетика в медицині електронної книги. Elsevier Health Sciences.
- Virgili, R. O., & Taboada, J. M. V. (2006). Геном людини: нові досягнення в області досліджень, діагностики та лікування. Edicions Universitat Барселона.