ГОМОЛОГІЧНА РЕКОМБІНАЦІЯ: ФУНКЦІЇ, МЕХАНІЗМ ТА ЗАСТОСУВАННЯ - БІОЛОГІЯ - 2025

Гомологічних рекомбінація є процесом , який включає в себе обмін між молекулами ДНК подібними або ідентичними ділянками генома. Клітини використовують гомологічну рекомбінацію в основному для відновлення розривів генетичного матеріалу, генеруючи генетичну варіацію популяцій.

Загалом, гомологічна рекомбінація передбачає фізичне сполучення між гомологічними ділянками генетичного матеріалу з подальшим розривом ланцюгів, які збираються пройти обмін, і, нарешті, об'єднанням нових комбінованих молекул ДНК.

Рекомбінація між двома гомологічними хромосомами.
Джерело: Emw

Порушення ДНК необхідно відновлювати якомога швидше та ефективніше. Якщо пошкодження не відшкодовано, наслідки можуть бути серйозними та навіть смертельними. У бактерій основна функція гомологічної рекомбінації полягає у відновленні цих розривів генетичного матеріалу.

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 життєво важливий механізм, який з’явився дуже рано в еволюції життя.

Історична перспектива

Один з найрелевантніших принципів, запропонований Грегором Менделем, полягає у незалежності в сегрегації персонажів. Відповідно до цього закону, різні гени передаються від батьків до дитини самостійно.

Однак у 1900 р. Існувало дуже помітні винятки з цього принципу. Англійські генетики Бейтсон і Пуннет показали, що багато разів певні риси успадковуються разом, і для цих рис принцип, проголошений Менделем, не має дійсності.

Подальші дослідження зуміли з’ясувати існування процесу рекомбінації, коли клітини могли обмінюватися генетичним матеріалом. У випадках, коли гени успадковувалися разом, ДНК не обмінювалися через фізичну близькість між генами.

Що таке гомологічна рекомбінація?

Гомологічна рекомбінація - це клітинне явище, яке передбачає фізичний обмін послідовностями ДНК між двома хромосомами. Рекомбінація включає набір генів, відомих як гени rec. Ці коди для різних ферментів, які беруть участь у процесі.

Молекули ДНК вважаються "гомологічними", коли вони поділяють подібні або однакові послідовності більш ніж 100 пар основ. ДНК має невеликі області, які можуть відрізнятися один від одного, і ці варіанти відомі як алелі.

У живих істотах вся ДНК вважається рекомбінантною ДНК. Обмін генетичним матеріалом між хромосомами відбувається безперервно, змішуючи і переставляючи гени на хромосомах.

Цей процес відбувається, очевидно, при мейозі. Зокрема, у фазі, коли хромосоми з’єднуються в першому поділі клітин. На цій стадії відбувається обмін генетичного матеріалу між хромосомами.

Історично цей процес позначається в літературі, використовуючи англосаксонське слово, що перетинає. Ця подія є одним із результатів гомологічної рекомбінації.

Частота схрещування між двома генами однієї і тієї ж хромосоми залежить головним чином від відстані, яка існує між ними; чим менша фізична відстань між ними, тим менша частота обміну.

Функції та наслідки гомологічної рекомбінації

Генетичний матеріал постійно піддається впливу пошкоджень, спричинених, наприклад, ендогенними та екзогенними джерелами, такими як радіація.

За оцінками, людські клітини мають значну кількість уражень ДНК у порядку десятків до сотень на день. Ці ураження потрібно відремонтувати, щоб уникнути можливих шкідливих мутацій, блоку реплікації та транскрипції та пошкодження на рівні хромосом.

З медичної точки зору, пошкодження ДНК, яке не виправлено належним чином, призводить до розвитку пухлин та інших патологій.

Гомологічна рекомбінація - це подія, яка дозволяє відновити ДНК, що дозволяє відновити втрачені послідовності, використовуючи в якості шаблону іншу (гомологічну) ланцюг ДНК.

Цей метаболічний процес присутній у всіх формах життя, забезпечуючи високоточний механізм, що дозволяє виправити «прогалини» в ДНК, дволанцюгові розриви та перехресні зв’язки між ланцюгами ДНК.

Одним з найбільш релевантних наслідків рекомбінації є породження нових генетичних варіацій. Поряд з мутаціями, це два процеси, що породжують варіації у живих істот - пам’ятайте, що варіація є сировиною для еволюції.

Крім того, він забезпечує механізм скидання вилок реплікації, які були пошкоджені.

У бактерій

У бактерій спостерігаються часті події горизонтального перенесення генів. Вони класифікуються як кон'югація, перетворення та трансдукція. Тут прокаріоти беруть ДНК від іншого організму, і навіть від різних видів.

Під час цих процесів відбувається гомологічна рекомбінація між клітиною реципієнта та клітиною донора.

Механізм

Гомологічна рекомбінація починається з розриву в одній з ниток молекули хромосомної ДНК. Після цього відбувається ряд етапів, каталізованих кількома ферментами.

3 'кінець, де відбувається зріз, проникає в гомологічну подвійну нитку ДНК. Процес вторгнення має вирішальне значення. Під "гомологічним ланцюгом" ми маємо на увазі ділянки хромосом, які мають однакові гени в лінійному порядку, хоча нуклеотидні послідовності не повинні бути ідентичними.

Синапс

Ця інвазія в ланцюг розміщує гомологічні хромосоми, звернені одна до одної. Це явище зустрічальних ниток називається синапсом (не плутати з синапсом у нейронах, тут термін вживається з іншим значенням).

Синапс не обов'язково передбачає прямий контакт між обома гомологічними послідовностями, ДНК може продовжуватись рухатися деякий час, поки не знайде гомологічну частину. Цей процес пошуку називається гомологічним вирівнюванням.

D-петлеутворення

Тоді відбувається подія під назвою "вторгнення в нитку". Хромосома - це подвійна спіраль ДНК. При гомологічній рекомбінації дві хромосоми шукають свої гомологічні послідовності. В одному з спіралей пасма відокремлюються і ця нитка "вторкається" у подвійну спіральну структуру, утворюючи структуру, що називається D-петлею.

Ланцюг D-петлі зміщений вторгненням в ланцюг, що розривається, і з'єднується з комплементарною ланцюгом вихідної подвійної спіралі.

Формування святкового вузла

Наступний крок - формування Голлідейських союзів. Тут кінці обмінюваних пасм з’єднують між собою. Цей союз має можливість рухатися в будь-якому напрямку. Суглоб може розриватися і утворюватися кілька разів.

Остаточним процесом рекомбінації є дозвіл цих об'єднань і є два шляхи чи способи, яким клітина цього домагається. Один з них - це розщеплення союзу або процесом, який називається розчиненням, типовим для еукаріотичних організмів.

У першому механізмі розрив стику Холлідей відновлює дві ланцюги. В іншому випадку "розпуску" в союзі відбувається своєрідний колапс.

Белки беруть участь

Найважливіший білок у процесі рекомбінації називається Rad51 в еукаріотичних клітинах, а RecA - у Escherichia coli. Він працює на різних фазах рекомбінації: до, під час і після синапсу.

Білок Rad51 сприяє формуванню фізичного зв’язку між ДНК, що вторгується, і загартованою ДНК. У цьому процесі генерується гетеродуплексна ДНК.

Rad51 та його аналог RecA каталізують пошук гомологічної ДНК та обмін нитками ДНК. Ці білки мають здатність кооперативно зв'язуватися з односмуговою ДНК.

Існують також гени паралогу (походять від подій дублювання генів у лінії організмів) Rad51, які називаються Rad55 та Rad57. У людини було визначено п’ять генів паралогу Rad51 під назвою Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 та Xrcc3.

Аномалії, пов'язані з процесами рекомбінації

Оскільки рекомбінація вимагає фізичного зв’язування хромосом, це важливий крок у правильній сегрегації під час мейозу. Якщо правильної рекомбінації не відбудеться, результат може бути основною патологією.

Недисфункція хромосом або помилки в сегрегації є однією з найчастіших причин викиднів і порушень хромосомного походження, таких як трисомія хромосоми 21, що викликає синдром Дауна.

Хоча рекомбінація зазвичай є досить точним процесом, ділянки генома, які повторюються, і гени, які мають кілька копій по всьому геному, схильні до нерівномірного схрещування.

Це схрещування дає різні клінічно важливі ознаки, включаючи поширені захворювання, такі як таласемія та аутизм.

Рекомбінаційні програми

Молекулярні біологи скористалися знаннями механізму гомологічної рекомбінації для створення різних технологій. Одне з них дозволяє створити організми «вибивання».

Ці генетично модифіковані організми дозволяють з’ясувати функцію цікавого гена.

Одна з методологій, що використовується для створення нокаутів, полягає в придушенні експресії конкретного гена, заміні вихідного гена модифікованою або "пошкодженою" версією. Ген обмінюється на мутовану версію за допомогою гомологічної рекомбінації.

Інші типи рекомбінації

Крім гомологічної або законної рекомбінації, існують і інші типи обміну генетичним матеріалом.

Коли ділянки ДНК, що обмінюються матеріалом, є неаллельними (гомологічні хромосоми), результатом є дублювання або зменшення генів. Цей процес відомий як негомологічна рекомбінація або неоднакова рекомбінація.

Разом генетичний матеріал також може обмінюватися між сестринськими хроматидами на одній хромосомі. Цей процес відбувається як в мейотичному, так і мітотичному поділі, і називається нерівним обміном.

Список літератури

1. Baker, TA, Watson, JD, & Bell, SP (2003). Молекулярна біологія гена. Видавнича компанія "Бенджамін-Каммінгс".
2. Devlin, TM (2004). Біохімія: підручник з клінічним застосуванням. Я перевернувся.
3. Jasin, M., & Rothstein, R. (2013). Відновлення обривів пасм гомологічною рекомбінацією. Перспективи холодного весняного порту в біології, 5 (11), a012740.
4. Li, X., і Heyer, WD (2008). Гомологічна рекомбінація при репарації ДНК та толерантності до пошкодження ДНК. Клітинні дослідження, 18 (1), 99-113.
5. Мюррей, PR, Розенталь, штат Ксі, Пфаллер, МА (2017). Медична мікробіологія. Науки про здоров’я Ельзев'є.
6. Nussbaum, RL, McInnes, RR, & Willard, HF (2015). Електронна книга генетики Томпсона та Томпсона в медицині. Науки про здоров’я Ельзев'є.
7. Virgili, RO, & Taboada, JMV (2006). Геном людини: нові досягнення в галузі досліджень, діагностики та лікування. Видання Universitat Barcelona.