HOMOLÓG REKOMBINÁCIÓ: FUNKCIÓK, MECHANIZMUS ÉS ALKALMAZÁSOK - BIOLÓGIA - 2026

A homológ rekombináció egy olyan folyamat, amely magában foglalja a DNS-molekulák cseréjét a genom hasonló vagy azonos szekciói között. A sejtek homológ rekombinációt használnak elsősorban a genetikai anyag törésének javítására, genetikai variációt generálva a populációkban.

Általában a homológ rekombináció magában foglalja a genetikai anyag homológ területeinek fizikai párosítását, majd a cseréjét követő láncok törését, majd végül az új kombinált DNS-molekulák egyesülését.

Két homológ kromoszóma közötti rekombináció.

Forrás: Emw

A DNS töréseit a lehető leggyorsabban és hatékonyabban kell megjavítani. Ha a károkat nem orvosolják, a következmények súlyosak és akár halálosak is lehetnek. Baktériumokban a homológ rekombináció fő funkciója a genetikai anyag ezen törésének kijavítása.

A homológ rekombinációt az egyik fő mechanizmusnak tekintik, amely lehetővé teszi a genom stabilitását. Ez az élet minden területén és még a vírusokban is jelen van, tehát feltehetőleg egy létfontosságú mechanizmus, amely az élet fejlődésének nagyon korai szakaszában megjelent.

Történelmi perspektíva

Gregor Mendel által javasolt egyik legfontosabb elv a karakter szétválasztásának függetlensége. E törvény szerint a különböző gének egymástól függetlenül kerülnek átadásra a szülőktől a gyermekekig.

1900-ban azonban nyilvánvaló volt ezen elv nagyon határozott kivételeinek fennállása. Az angol genetikusok, Bateson és Punnett kimutatták, hogy bizonyos tulajdonságokat sokszor együtt örökölnek, és ezekre a tulajdonságokra a Mendel által kifejtett elv nem érvényes.

A későbbi kutatások során sikerült kideríteni a rekombinációs folyamat létezését, ahol a sejtek képesek voltak genetikai anyagcserére. Azokban az esetekben, amikor a gének együtt öröklődtek, a DNS-t nem cserélték a gének közötti fizikai közelség miatt.

Mi a homológ rekombináció?

A homológ rekombináció egy celluláris jelenség, amely magában foglalja a DNS-szekvenciák fizikai cseréjét két kromoszóma között. A rekombináció egy génkészletet foglal magában, amelyet rec géneknek hívnak. Ezek a folyamatban részt vevő különböző enzimek kódját képezik.

A DNS-molekulákat akkor tekintjük "homológnak", ha több mint 100 bázispár hasonló vagy azonos szekvenciákkal rendelkeznek. A DNS-nek olyan kicsi régiói vannak, amelyek eltérhetnek egymástól, és ezeket a variánsokat alléleknek nevezik.

Az élő dolgokban az összes DNS rekombináns DNS-nek tekinthető. A genetikai anyag cseréje a kromoszómák között folyamatosan zajlik, összekeverve és átrendezve a géneket a kromoszómákon.

Ez a folyamat nyilvánvalóan meiosisban fordul elő. Pontosabban abban a szakaszban, ahol a kromoszómák párosulnak az első sejtosztódásban. Ebben a szakaszban történik a genetikai anyag cseréje a kromoszómák között.

Történelmileg ezt a folyamatot az irodalom az angolszász szó keresztezésével jelölte meg. Ez az esemény a homológ rekombináció egyik eredménye.

Ugyanazon kromoszóma két génje közötti áthaladás gyakorisága elsősorban a közöttük lévő távolságtól függ; minél kisebb a fizikai távolság közöttük, annál alacsonyabb a csere gyakorisága.

A homológ rekombináció funkciói és következményei

A genetikai anyagot állandóan ki vannak téve az endogén és exogén források, például sugárzás által okozott károsodásoknak.

A becslések szerint az emberi sejtek jelentős számú DNS-lézióval rendelkeznek, napi tízes vagy százas sorrendben. Ezeket a sérüléseket meg kell javítani a lehetséges káros mutációk, replikációs és transzkripciós blokkok, valamint a kromoszóma szintű károsodások elkerülése érdekében.

Orvosi szempontból a nem helyesen helyrehozott DNS-károsodás daganatok és más patológiák kialakulását eredményezi.

A homológ rekombináció olyan esemény, amely lehetővé teszi a DNS javulását, lehetővé téve az elveszett szekvenciák helyreállítását, templátként a DNS másik (homológ) szálát használva.

Ez a metabolikus folyamat jelen van az élet minden formájában, biztosítva egy nagy hűségű mechanizmust, amely lehetővé teszi a DNS-hiányok, a kettős szálú törések és a DNS-szálak közötti keresztkötések kijavítását.

A rekombináció egyik legfontosabb következménye az új genetikai variáció generálása. A mutációk mellett ezek a két folyamat, amelyek az élőlényekben változásokat generálnak - ne feledje, hogy a variáció az evolúció alapanyaga.

Ezenkívül mechanizmust biztosít a sérült replikációs villák visszaállításához.

Baktériumokban

A baktériumokban gyakran fordul elő vízszintes génátadás esemény. Ezeket konjugációnak, transzformációnak és transzdukciónak kell besorolni. Itt a prokarióták DNS-t vesznek egy másik szervezetből, sőt, különböző fajokból is.

Ezen folyamatok során homológ rekombináció történik a recipiens sejt és a donor sejt között.

Gépezet

A homológ rekombináció a kromoszómális DNS-molekula egyik szálának megszakításával kezdődik. Ezt követően több enzim által katalizált lépések sorozata lép fel.

A 3 'végét, ahol a vágás megtörténik, a homológ DNS kettős szál behatolja. Az inváziós folyamat kulcsfontosságú. A "homológ lánc" alatt a kromoszómák azon részeit értjük, amelyek lineáris sorrendben ugyanazokat a géneket tartalmazzák, bár a nukleotidszekvenciák nem kell, hogy azonosak legyenek.

Szinapszis

A szál ilyen inváziója homológ kromoszómákat helyez egymással szemben. A találkozási szálaknak ezt a jelenségét szinapszisnak hívják (nem szabad összetéveszteni a neuronok szinapszájával, itt a kifejezést más jelentéssel használjuk).

A szinapszis nem feltétlenül jelenti a két homológ szekvencia közötti közvetlen kapcsolatot, a DNS tovább mozoghat egy ideig, amíg meg nem találja a homológ részt. Ezt a keresési folyamatot homológ igazításnak nevezzük.

D-hurok kialakulása

Ezután "szál inváziónak" nevezett esemény történik. A kromoszóma a DNS kettős spirálja. Homológ rekombinációban két kromoszóma keresi homológ szekvenciáit. Az egyik hélikban a szálak elválasztódnak, és ez a szál "behatol" a kettős spirális szerkezetbe, és így a D huroknak nevezett struktúrát képezik.

A D-hurok szálát elmozdítják a törő szál behatolása útján, és párosulnak az eredeti kettős spirál komplementer szálával.

Holliday kereszteződés kialakulása

A következő lépés a Holliday szakszervezetek megalakulása. Itt a cserélt szálak végeit össze vannak kötve. Ez az unió képes bármilyen irányba mozogni. Az ízület többször is eltörhet és kialakulhat.

A rekombináció végső folyamata ezeknek a szakszervezeteknek a feloldása, és kétféle módon lehet elérni ezt a sejtet. Az egyik az unió elválasztása vagy az oldódásnak nevezett folyamat, amely jellemző az eukarióta szervezetekre.

Az első mechanizmusban a Holliday-csomópont megszakítása két láncot regenerál. A másik "felbomlási" eseménynél valamilyen összeomlás történik az unióban.

Fehérjék

A rekombinációs folyamat egyik kulcsfontosságú fehérjét Rad51-nek nevezik az eukarióta sejtekben és RecA-nak az Escherichia coli-ban. A rekombináció különböző fázisaiban működik: a szinapszis előtt, alatt és után.

A Rad51 fehérje megkönnyíti a behatoló DNS és a edzett DNS közötti fizikai kapcsolat kialakulását. Ebben a folyamatban a heteroduplex DNS keletkezik.

A Rad51 és RecA megfelelője katalizálja a homológ DNS keresését és a DNS-szálak cseréjét. Ezeknek a fehérjéknek az a képessége, hogy kooperatív módon kötődjenek az egysávos DNS-hez.

Vannak párhuzamos gének (amelyek az organizmusok génduplációs eseményeiből származnak) a Rad51-nek, Rad55 és Rad57 néven. Az emberekben öt Rad51 paralogén gént azonosítottak, amelyek Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 és Xrcc3.

A rekombinációs folyamatokkal kapcsolatos rendellenességek

Mivel a rekombináció fizikai kötődést igényel a kromoszómákhoz, ez kritikus lépés a megfelelő szegregációban a meiozis során. Ha nem fordul elő megfelelő rekombináció, az eredmény komoly patológia lehet.

A kromoszómák nem szétválasztása vagy a szegregációs hibák az egyik leggyakoribb oka a vetéléseknek és a kromoszóma eredetű rendellenességeknek, mint például a 21. kromoszóma trisómiája, amely Down-szindrómát vált ki.

Noha a rekombináció általában meglehetősen pontos folyamat, a genom megismétlődő régiói és a gének, amelyek többszörösek az egész genomban, hajlamosak egyenetlen keresztezésre.

Ez a keresztezés különböző klinikai szempontból releváns tulajdonságokat eredményez, beleértve a gyakori betegségeket, mint például a talassemia és az autizmus.

Rekombinációs alkalmazások

A molekuláris biológusok kihasználták a homológ rekombináció mechanizmusának ismereteit különböző technológiák létrehozására. Ezek egyike lehetővé teszi "knockout" szervezetek létrehozását.

Ezek a géntechnológiával módosított organizmusok lehetővé teszik a kérdéses gén funkciójának tisztázását.

A knockoutok létrehozására alkalmazott egyik módszer a specifikus gén expressziójának elnyomását jelenti, az eredeti gén módosított vagy "sérült" verzióval történő helyettesítésével. A gént a mutált változatra cseréljük homológ rekombinációval.

Más típusú rekombináció

A homológ vagy legitim rekombináció mellett a genetikai anyagcsere másfajta típusai is vannak.

Ha az anyagcserét végző DNS régiói nem allélok (homológ kromoszómák), az eredmény a gének megduplázódása vagy redukciója. Ezt a folyamatot nem homológ rekombinációnak vagy egyenlőtlen rekombinációnak nevezzük.

A genetikai anyag együtt cserélhető ugyanannak a kromoszómának a testvére kromatidok között. Ez a folyamat mind a meiotikus, mind a mitotikus megoszlásban zajlik, és egyenlőtlen cserenek nevezzük.

Irodalom

1. Baker, TA, Watson, JD és Bell, SP (2003). A gén molekuláris biológiája. Benjamin-Cummings Publishing Company.
2. Devlin, TM (2004). Biokémia: tankönyv klinikai alkalmazásokkal. Megfordítottam.
3. Jasin, M., és Rothstein, R. (2013). A szál törésének helyreállítása homológ rekombinációval. A Cold Spring Harbor biológiai perspektívái, 5 (11), a012740.
4. Li, X. és Heyer, WD (2008). Homológ rekombináció a DNS helyreállításában és a DNS károsodás toleranciájában. Cell research, 18 (1), 99-113.
5. Murray, PR, Rosenthal, KS és Pfaller, MA (2017). Orvosi mikrobiológia. Elsevier Health Sciences.
6. Nussbaum, R. L., McInnes, RR és Willard, HF (2015). Thompson és Thompson genetika az orvostudományban e-könyv. Elsevier Health Sciences.
7. Virgili, RO, és Taboada, JMV (2006). Emberi genom: a kutatás, a diagnózis és a kezelés új előrelépései. Editions Universitat Barcelona.