GENETIKAI REKOMBINÁCIÓ: TÍPUSOK ÉS MECHANIZMUSOK - BIOLÓGIA - 2026

A genetikai rekombináció az a folyamat, amelynek során a nukleinsav-fragmentumok molekulái kicserélődnek, új molekulát generálva. Nagyon gyakori a DNS-ben, de az RNS szintén a rekombináció szubsztrátja. A rekombináció a mutáció után a genetikai variabilitás generálásának legfontosabb forrása.

A DNS különböző biokémiai folyamatokban vesz részt. A replikáció során sablonként szolgál két új DNS-molekula előállításához. A transzkripcióban lehetővé válik RNS-molekulák előállítása specifikus régiókból, amelyeket egy promoter irányít.

A DNS rekombináció általános lépései. Juergen Bode, a Wikimedia Commons segítségével

De ezen felül a DNS képes fragmentumok cseréjére is. Ezen a folyamaton keresztül új kombinációkat generál, amelyek nem a két előző eljárás, sem a megtermékenyítés eredménye.

Minden rekombinációs folyamat magában foglalja a folyamatban részt vevő DNS-molekulák törését és összekapcsolását. Ez a mechanizmus függ a rekombinációs szubsztráttól, a folyamatban részt vevő enzimektől és annak végrehajtásának mechanizmusától.

A rekombináció általában a komplementer, hasonló (ha nem azonos) vagy homológ régiók meglététől függ a rekombinációs molekulák között. Abban az esetben, ha a molekulák rekombinálódnak olyan folyamatokban, amelyeket nem irányít a homológia, a rekombinációról nem homológnak mondják.

Ha a homológia egy nagyon rövid régiót tartalmaz mindkét molekulában, akkor a rekombináció helyspecifikus.

Meghatározás

Amit homológiának hívunk a rekombinációban, nem feltétlenül utal a részt vevő molekulák evolúciós eredetére. Inkább a nukleotidszekvencia hasonlósági fokáról beszélünk.

A nem reparatív rekombináció például az eukariótákban fordul elő a meiozis folyamat során. Kétségtelen, hogy nem lehet nagyobb homológia, mint ugyanabban a sejtben a kromoszómapárok között.

Ezért hívják őket homológ kromoszómáknak. Vannak azonban olyan esetek, amikor egy sejt DNS-é anyagot cserél idegen DNS-sel. Ezeknek a DNS-eknek nagyon hasonlónak kell lenniük a rekombinának, de ennek eléréséhez nem feltétlenül kell ugyanazt az őseket (homológiát) megosztaniuk.

Chiasm és crossover

A két DNS-molekula közötti kapcsolódás és cseréjének helyét chiasmnek nevezzük, maga a folyamatot térhálósításnak nevezzük. A keresztezés során ellenőrzik a sávcserét a részt vevő DNS-ek között.

Ez kointegrátumot hoz létre, amely két DNS molekula, amelyek fizikailag egyesülnek egybe. Amikor a kointegrátum "feloldódik", két molekulát generálnak, általában megváltoznak (rekombináns).

A "megoldás" a rekombináció összefüggésében az, hogy elválasztjuk a kointegrátum komponens DNS molekuláit.

A genetikai rekombináció típusai

-Specifikus rekombináció

A helyspecifikus rekombinációban két, általában nem homológ DNS molekula rövid szekvenciájú, mindkettő számára közös. Ez a szekvencia egy meghatározott splicing enzim célpontja.

Az enzim, amely képes felismerni ezt a szekvenciát, és nem egy másik, felvágja azt mindkét molekula egy adott helyén. Néhány egyéb tényező segítségével kicseréli a két résztvevő molekula DNS-sávjait, és együttesen alkot.

Escherichia coli

Ez az alapja az Escherichia coli baktérium és a lambda bakteriofág genomja közötti kointegrátum kialakulásának. A bakteriofág olyan vírus, amely baktériumokat fertőz meg.

Ennek a kointegrátumnak a kialakulását a vírus genomjában kódolt enzim végzi: a lambda integráz. Felismeri a vírus körkörös genomjában az attP néven ismert szekvenciát, a baktériumban pedig az attB-t.

Ha mindkét molekula mindkét szekvenciát felvágja, szabad szegmenseket generál, megcseréli a sávokat és csatlakozik a két genomhoz. Ezután nagyobb vagy összeillesztett kör alakul ki.

Kointegráció során a vírusgenomot passzív módon hordozza a baktériumgenom, amellyel replikálódik. Ebben az állapotban azt mondják, hogy a vírus provírus állapotban van, és hogy a baktérium lizogén ahhoz.

A fordított folyamat, azaz a kointegrátum felbontása sok generációt vehet igénybe, vagy akár nem is megtörténhet. Ennek elvégzését enzimatikusan egy másik, a vírus genomja által kódolt protein, az úgynevezett excisionase közvetíti. Amikor ez megtörténik, a vírus elválasztódik a társintegrátumtól, újraaktiválódik és sejtlízist okoz.

-Homológ rekombináció

Általános rekombináció

Homológ rekombináció történik azon DNS-molekulák között, amelyek legalább körülbelül 40 teljes vagy csaknem teljes hasonlóságot mutatnak. A rekombinációs folyamat végrehajtásához legalább egy endonukleázt be kell vonni.

Az endonukleázok olyan enzimek, amelyek belső vágásokat végeznek a DNS-ben. Néhányan ezt a DNS lebontására hajtják végre. Mások, mint például a rekombináció esetén, megteszik, hogy bevágást hozzanak létre a DNS-ben.

Ez az egyedi becenév lehetővé teszi egy sávú DNS szabad végének feldolgozását. Ez a rekombináz által orientált szabad vég lehetővé teszi, hogy egy sáv behatoljon egy kettős DNS-be, kicserélve ezzel a rezidens sávot.

Ez egy donor ("betolakodó") DNS-molekula és egy másik receptor közötti keresztezési pont.

Az Escherichia coli-ban az invázió és a sávcserét végző enzimet (rekombináz) RecA-nak hívják. A prokariótákban vannak más homológ proteinek, például az archaea RadA. Az eukariótákban az ekvivalens enzimet RAD51-nek hívják.

Amint az invazív sáv kiszorítja a rezidenst, kölcsönhatásba lép a sávval, amelyet egyszerűen hagytak a donor molekulában. Mindkét helyet egy ligáz hatása zárja le.

Jelenleg hibrid sávú DNS-t (donor és recipiens sáv, különböző eredetű) szegélyezünk donor DNS és recipiens DNS-vel. A keresztezési pontok (chiasmata) mindkét irányban legalább 200 bázisponttal mozognak.

A keresztezés egyes pontjai képezik az úgynevezett Holliday-struktúrát (egy rekombinációs esemény keresztes DNS-terméke).

Ezt a keresztes DNS-t más endonukleázokkal kell feloldani. Az ilyen szerkezetű kiméra vagy hibrid DNS kétféle módon oldható meg. Ha a második endonukleotidvágás ugyanabban a sávban történik, mint az első, akkor nem fordul elő rekombináció. Ha a második vágás a másik sávban történik, akkor a kapott termékek rekombinánsak.

Rekombináns DNS a Holliday struktúrában. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Mao-4armjunction-schematic.png.

Rekombináció V (D) J

Ez egy olyan szomatikus rekombináció (nem meiotikus), amely hozzájárul az immunrendszer antitestei óriási variabilitásának kialakulásához.

Ez a rekombináció különösen azon gének fragmenseiben zajlik, amelyek az őket meghatározó polipeptidláncokat kódolják. Ezt B-sejtek hajtják végre, és különböző genetikai régiókat tartalmaznak.

Érdekes, hogy vannak olyan paraziták, mint a Trypanosoma brucei, amelyek hasonló rekombinációs mechanizmust alkalmaznak a felszíni antigén variabilitásának megteremtésére. Ilyen módon elkerülhetik a gazda válaszát, ha a gazda nem hoz létre olyan antitestet, amely képes felismerni az "új" antigént.

A rekombinációval létrehozott antitestek sokfélesége. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Cambio_clase_recombinacion.PNG

-Nem homológ rekombináció

Végül vannak olyan rekombinációs eljárások, amelyek nem függenek a résztvevő molekulák szekvenciájának hasonlóságától. Például az eukariótákban a nem homológ végek rekombinációja nagyon fontos.

Ez olyan DNS-fragmentumokkal fordul elő, amelyek kettős sávszünetet mutatnak a DNS-ben. Ezeket "javítja" a cella, amely más fragmentumokhoz csatlakozik, kettős sávszünettel is.

Ezeknek a molekuláknak azonban nem feltétlenül kell hasonlónak lennie ahhoz, hogy részt vegyen ebben a rekombinációs folyamatban. Vagyis a károsodás kijavításával a sejt csatlakozhat független DNS-ekhez, így egy valóban új (rekombináns) molekulát hozhat létre.

A rekombináció fontossága

Fontosság okként: DNS replikáció és javítás

A rekombináció biztosítja a DNS-információk hűségét a replikációs folyamat alatt és után. A rekombináció kimutatja a DNS károsodását az új csíkozási folyamat során ebben a rendkívül hosszú makromolekulában.

Mivel mindegyik sávnak megvan a saját és a kiegészítő információ, a rekombináció garantálja, hogy egyik sem veszik el. Mindegyik tanúként jár el a másiknak. Hasonlóképpen, a diploid szervezetekben a homológ kromoszóma tanúja testvérének és fordítva.

Másrészt, miután a DNS-t replikálták, ennek a molekulanak a károsodásjavító mechanizmusai változnak. Néhányuk közvetlen (a sérülésre közvetlenül reagálnak), mások közvetett.

A közvetett javítási mechanizmusok a végrehajtandó rekombinációtól függenek. Vagyis egy DNS-molekula károsodásának kiküszöbölésére egy másik homológ molekulát használunk. Ez a reparatív rekombináció során mint sablon lenne, amelyből kár volt.

Fontosság ennek következményeként: a genetikai variabilitás generálása

A rekombináció óriási kromoszóma variabilitást képes létrehozni a meiozis során. A szomatikus rekombináció változékonyságot is generál, mint a gerinces antitestek esetében.

Sok szervezetben a meiozis gametikus. A szexuálisan szaporodó szervezetekben a rekombináció az egyik legeredményesebb módszer a variabilitás előállítására.

Vagyis a spontán mutációhoz és a kromoszóma szegregációhoz a rekombinációt hozzáadni kell egy másik elemként, amely gametikus variabilitást generál.

A bakteriofág genomok integrációja helyspecifikus rekombinációval viszont hozzájárult a gazda baktériumok genomjának átalakításához.

Ez hozzájárult az élő lények ezen fontos csoportjának a genomi változékonyság és az evolúció kialakulásához.

Rekombináció és egészség

Már láttuk, hogy a DNS javítható, de nem az, ami károsítja. A valóságban szinte bármi károsíthatja a DNS-t, kezdve a hibás replikációval, amely nem korrigálódik.

Ezen túlmenően a DNS-t károsíthatják az ultraibolya fény, ionizáló sugárzás, a sejtek légzéséből származó szabad oxigéngyökök, valamint az, amit eszünk, füstölünk, lélegezünk, lenyelünk vagy megérintünk.

Szerencsére nem kell feladnia az életét, hogy megvédje a DNS-t. Bizonyos dolgokat feladni kell, de a nagy munkát maga a cella végzi. Ezeknek a DNS-károsodások felismerésének és helyreállításának mechanizmusának nyilvánvalóan genetikai alapja van, és hiányuknak óriási következményei vannak.

A homológ rekombináció hibáival kapcsolatos betegségek például a Bloom és Werner szindrómák, a családi mell- és petefészekrák stb.

Irodalom

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014), Molecular Biology of the Cell (6. kiadás). WW Norton & Company, New York, NY, USA.
2. Bell, JC, Kowalczykowski, SC (2016) A DNS rekombináció mechanikája és egymolekulás kihallgatása. Éves áttekintés a Biokémiáról, 85: 193-226.
3. Prado, F. () Homológ rekombináció: a villához és azon túl. Gének, doi: 10.3390 / gének9120603
4. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). Bevezetés a genetikai elemzéshez (11. kiadás). New York: WH Freeman, New York, NY, USA.
5. Tock, AJ, Henderson, IR (2018) Hotspotok a meiotikus rekombináció megindításához. Határok a genetikában, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) A Prophages in Salmonella enterica: hajtóereje a baktérium-gazdaszervezet genomjának és élettanának átalakításában? Molekuláris mikrobiológia, doi: 10.1111 / mm.14167.
7. Wright, WD, Shah, SS, Heyer, WD (2018) Homológ rekombináció és a DNS kettős szálú törések helyrehozása. Journal of Biological Chemistry, 293, 10524-10535