ГЕНЕТИЧНА РЕКОМБІНАЦІЯ: ТИПИ ТА МЕХАНІЗМИ - БІОЛОГІЯ - 2025

Генетична рекомбінація є процесом , при якому молекула нуклеїнових кислот фрагментів обміняна генерації нової молекули. Він дуже поширений у ДНК, але РНК також є субстратом для рекомбінації. Рекомбінація є після мутації найважливішим джерелом генетичної мінливості.

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

Загальні етапи рекомбінації ДНК. Юрген Боде, через Wikimedia Commons

Але крім цього, ДНК також здатна обмінюватися фрагментами. Завдяки цьому процесу він створює нові комбінації, які не є продуктом двох попередніх процесів, ані заплідненням.

Весь процес рекомбінації включає розрив та приєднання молекул ДНК, які беруть участь у процесі. Цей механізм змінюється залежно від субкомбінації рекомбінації, ферментів, які беруть участь у процесі, та механізму його виконання.

Рекомбінація, як правило, залежить від наявності комплементарних, подібних (якщо не ідентичних) або гомологічних областей між рекомбінаційними молекулами. У випадку, коли молекули рекомбінуються в процесах, не керованих гомологією, кажуть, що рекомбінація не гомологічна.

Якщо гомологія включає дуже коротку область, яка присутня в обох молекулах, то, як кажуть, рекомбінація є специфічною для сайту.

Визначення

Те, що ми називаємо гомологією у рекомбінації, не обов'язково стосується еволюційного походження молекул, що беруть участь. Швидше ми говоримо про ступінь подібності в нуклеотидної послідовності.

Наприклад, нерепаративна рекомбінація виникає у еукаріотів під час процесу мейозу. Безперечно, не може бути більшої гомології, ніж між парами хромосом в одній клітині.

Саме тому їх називають гомологічними хромосомами. Однак є випадки, коли ДНК клітини обмінюється матеріалом з чужорідною ДНК. Ці ДНК повинні бути дуже схожими на рекомбіновані, але їм не обов'язково ділитися тим самим предком (гомологією), щоб досягти цього.

Хіазм і кросовер

Місце приєднання та обміну між двома молекулами ДНК називається хіазмом, а сам процес називається зшиванням. Під час кросовера перевіряється обмін смугами між ДНК-учасницями.

Це генерує коінтеграт, який представляє собою дві молекули ДНК, фізично об'єднані в одну. Коли коінтеграт "розсмоктується", утворюються дві молекули, як правило, змінені (рекомбінантні).

«Розв’язати», в контексті рекомбінації, - це відокремити складові молекули ДНК коінтеграту.

Види генетичної рекомбінації

-Специфічна рекомбінація

У специфічній для сайту рекомбінації дві молекули ДНК, як правило, не гомологічні, мають коротку послідовність, спільну для обох. Ця послідовність є мішенню специфічного ферменту сплайсингу.

Фермент, здатний розпізнавати цю послідовність, а не іншу, розрізає її на певному місці в обох молекулах. За допомогою деяких інших факторів він міняє смуги ДНК двох молекул-учасників і утворює коінтеграт.

Кишкова паличка

Це є основою для утворення коінтеграту між геномом бактерії Escherichia coli та геном бактеріофага лямбда. Бактеріофаг - це вірус, який заражає бактерії.

Утворення цього коінтеграту здійснюється ферментом, закодованим у геномі вірусу: лямбда інтеграза. Він розпізнає загальну послідовність, що називається attP, у круговому геному вірусу, а attB - у бактерії.

Розрізаючи обидві послідовності в обох молекулах, він генерує вільні сегменти, міняє смуги та з'єднує два геноми. Потім утворюється більший, або інтегрований коло.

При коінтеграції вірусний геном пасивно переноситься бактеріальним геном, з яким він реплікується. У цьому стані кажуть, що вірус знаходиться в провірусному стані, і бактерія є для нього лізогенною.

Зворотний процес, тобто дозвіл коінтеграту, може зайняти багато поколінь - а то й не відбутися. Однак це ферментативно опосередковується іншим білком, кодованим вірусом геному під назвою ексцизіоназа. Коли це відбувається, вірус відокремлюється від коінтеграту, реактивується і викликає лізис клітин.

-Гомологічна рекомбінація

Узагальнена рекомбінація

Гомологічна рекомбінація відбувається між молекулами ДНК, які мають принаймні близько 40 нуклеотидів повної або майже повної подібності. Для проведення процесу рекомбінації повинен бути залучений хоча б один ендонуклеаз.

Ендонуклеази - це ферменти, які роблять внутрішні розрізи ДНК. Деякі роблять це, щоб перейти на деградацію ДНК. Інші, як і у випадку рекомбінації, роблять це для створення вм'ятини в ДНК.

Цей унікальний нік дозволяє обробляти односмугову ДНК з вільним кінцем. Цей вільний кінець, орієнтований на рекомбіназу, дозволяє одній смузі вторгнутись у подвійну ДНК, витісняючи ідентичну їй резидентну смугу.

Це точка схрещування між молекулою ДНК донора ("загарбника") та іншим рецептором.

Фермент (рекомбіназа), який здійснює процес інвазії та обміну смугами в паличці Escherichia coli, називається RecA. У прокаріотів є інші гомологічні білки, такі як RadA в археях. У еукаріотів еквівалентний фермент називається RAD51.

Як тільки інвазивна смуга витісняє резидента, вона взаємодіє з смугою, яка залишилася простою в молекулі донора. Обидва місця запечатані дією лігази.

Зараз у нас є гібридна ДНК-діапазон (донорська смуга та реципієнтна смуга, різного походження), з урахуванням якої є донорська ДНК та реципієнтна ДНК. Точки перехрестя (chiasmata) рухаються в обох напрямках як мінімум на 200 bp.

Кожна точка кросовера формує так звану структуру Холлідей (продукт хрестоподібної ДНК події рекомбінації).

Ця хрестоподібна ДНК повинна бути розв'язана іншими ендонуклеазами. Химерна або гібридна ДНК цієї структури може бути розв'язана двома способами. Якщо другий розріз ендонуклеотидів відбувається в тій же смузі, що і перший, рекомбінація не відбувається. Якщо другий зріз відбувається в іншій смузі, отримані продукти є рекомбінантними.

Рекомбінантна ДНК у структурі Холлідей. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Mao-4armjunction-schematic.png.

Рекомбінація V (D) J

Це тип соматичної рекомбінації (не мейотичної), який сприяє породженню величезної мінливості антитіл імунної системи.

Ця рекомбінація відбувається, зокрема, фрагментами генів, кодуючих поліпептидні ланцюги, що їх визначають. Він здійснюється В-клітинами і включає різні генетичні регіони.

Цікаво, що є такі паразити, як Trypanosoma brucei, які використовують аналогічний механізм рекомбінації для створення мінливості поверхневого антигену. Таким чином, вони можуть ухилитися від реакції господаря, якщо господар не спроміг генерувати антитіло, здатне розпізнавати "новий" антиген.

Різноманітність антитіл, створених рекомбінацією. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Cambio_clase_recombinacion.PNG

-Не гомологічна рекомбінація

Нарешті, є процеси рекомбінації, які не залежать від подібності в послідовності молекул-учасників. Наприклад, у еукаріотів дуже важлива рекомбінація неоднорідних цілей.

Це відбувається з фрагментами ДНК, які показують подвійні розриви смуг у ДНК. Вони «ремонтуються» клітиною, приєднуючи їх до інших фрагментів також із подвійними розривами смуг.

Однак ці молекули не обов'язково повинні бути подібними, щоб брати участь у цьому процесі рекомбінації. Тобто, відновлюючи пошкодження, клітина може приєднатися до споріднених ДНК, таким чином створивши справді нову (рекомбінантну) молекулу.

Важливість рекомбінації

Важливість як причина: реплікація та відновлення ДНК

Рекомбінація забезпечує вірність інформації про ДНК під час та після реплікації. Рекомбінація виявляє пошкодження ДНК під час нового процесу обв'язки в цій надзвичайно довгій макромолекулі.

Оскільки у кожного діапазону є своя інформація та додаткова, рекомбінація гарантує, що жодна людина не буде втрачена. Кожен виступає свідком іншого. Так само і в диплоїдних організмах гомологічна хромосома свідчить про своє побратимство і навпаки.

З іншого боку, після реплікації ДНК механізми відновлення пошкоджень цієї молекули змінюються. Деякі є прямими (травмується безпосередньо), а інші - непрямими.

Непрямі механізми ремонту залежать від проведення рекомбінації. Тобто для відновлення пошкодження в молекулі ДНК використовується інша гомологічна молекула. Це може діяти в репаративній рекомбінації як шаблон, від якого вона зазнала пошкоджень.

Важливість як наслідок: породження генетичної мінливості

Рекомбінація здатна створити величезну мінливість хромосом під час мейозу. Соматична рекомбінація також породжує мінливість, як у випадку з антитілами у хребетних.

У багатьох організмах мейоз є гаметичним. У сексуально розмножуваних організмах рекомбінація виявляється одним із найпотужніших способів генерувати мінливість.

Тобто до спонтанної мутації та хромосомної сегрегації слід додати рекомбінацію як ще один елемент, що генерує гаметичну мінливість.

Інтеграція бактеріофагових геномів шляхом специфічної рекомбінації сайтів сприяла реконструкції геному бактерій-господарів.

Це сприяло породженню геномної мінливості та еволюції цієї важливої ​​групи живих істот.

Рекомбінація та здоров'я

Ми вже бачили, що ДНК можна відремонтувати, але не те, що шкодить їй. Насправді майже все може пошкодити ДНК, починаючи з несправної реплікації, яка залишається некорекцією.

Але крім цього, ДНК може бути пошкоджена УФ-світлом, іонізуючим випромінюванням, вільними радикалами кисню, що утворюються клітинним диханням, і тим, що ми їмо, куримо, дихаємо, поглинаємо або торкаємось.

На щастя, вам не потрібно відмовлятися від життя, щоб захистити ДНК. Певним речам треба відмовитися, але велику роботу робить сама клітина. Ці механізми виявлення пошкодження ДНК та її відновлення, очевидно, мають генетичну основу, а їх дефіцит - величезні наслідки.

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

Список літератури

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of Cell (6-е видання). WW Norton & Company, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США.
2. Bell, JC, Kowalczykowski, SC (2016) Механіка та одномолекулярне опитування рекомбінації ДНК. Щорічний огляд біохімії, 85: 193-226.
3. Прадо, Ф. () Гомологічна рекомбінація: на вилки і далі. Гени, дої: 10,3390 / гени9120603
4. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). Вступ до генетичного аналізу (11-е видання). Нью-Йорк: WH Freeman, New York, NY, США.
5. Tock, AJ, Henderson, IR (2018) Точки для початку мейотичної рекомбінації. Межі в генетиці, дої: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) A Prophages in Salmonella enterica: рушійна сила в перетворенні геному та фізіології їх бактеріального господаря? Молекулярна мікробіологія, дої: 10.1111 / ммі.14167.
7. Wright, WD, Shah, SS, Heyer, WD (2018) Гомологічна рекомбінація та відновлення дволанцюгових розривів ДНК. Журнал біологічної хімії, 293: 10524-10535