- Историјска перспектива
- Шта је хомологна рекомбинација?
- Функције и посљедице хомологне рекомбинације
- У бактеријама
- Механизам
- Синапсе
- Формирање Д-петље
- Формирање холливоодског чвора
- Протеини који су укључени
- Аномалије повезане са процесима рекомбинације
- Примене за рекомбинацију
- Остале врсте рекомбинације
- Референце
Хомологна рекомбинација је процес који укључује размену ДНК молекула између сличних или идентичних делова генома. Ћелије користе хомологну рекомбинацију углавном за поправљање пукнућа генетског материјала, стварајући генетску варијацију у популацији.
Опћенито, хомологна рекомбинација укључује физичко спаривање између хомологних подручја генетског материјала, након чега слиједи разбијање ланаца који ће бити подвргнути размјени и на крају спајање нових комбинованих молекула ДНК.
Рекомбинација између два хомологна хромозома.
Извор: Емв
Разбијање ДНК мора се поправити што је брже и ефикасније. Ако се штета не поправи, последице могу бити озбиљне, па чак и смртоносне. У бактеријама је главна функција хомологне рекомбинације поправити ове прекиде у генетском материјалу.
Хомолошка рекомбинација сматра се једним од главних механизама који омогућавају стабилност генома. Присутан је у свим доменима живота, па чак и у вирусима, па је вероватно витални механизам који се појавио врло рано у еволуцији живота.
Историјска перспектива
Један од најрелевантнијих принципа који је предложио Грегор Мендел састоји се од независности у сегрегацији ликова. Према овом закону, различити гени се преносе са родитеља на дете независно.
Међутим, 1900. године постојало је врло изражених изузетака од овог принципа. Енглески генетичари Батесон и Пуннетт показали су да се много пута одређене особине наслеђују заједно, и за те особине принцип који је изјавио Мендел није валидан.
Накнадна истраживања успела су да расветле постојање процеса рекомбинације где ћелије могу да размењују генетски материјал. У случајевима када су гени наслеђени заједно, ДНК није размењена због физичке блискости гена.
Шта је хомологна рекомбинација?
Хомолошка рекомбинација је ћелијски феномен који укључује физичку размену низова ДНК између два хромозома. Рекомбинација укључује скуп гена познатих као рец гени. Ови кодови за различите ензиме који учествују у процесу.
ДНК молекули се сматрају „хомологним“ када деле сличне или идентичне секвенце више од 100 парова база. ДНК има мале области које се могу разликовати једна од друге, а ове варијанте су познате као алели.
У живим бићима сва ДНК се сматра рекомбинантном ДНК. Размјена генетског материјала између хромозома одвија се континуирано, мијешањем и преуређивањем гена на хромозомима.
Овај процес се очигледно догађа у мејози. Конкретно у фази у којој се хромозоми упарују у првој ћелијској подели. У овој фази долази до размене генетског материјала између хромозома.
Историјски је овај процес означен у литератури употребом англосаксонске речи која прелази. Овај догађај је један од резултата хомологне рекомбинације.
Учесталост преласка између два гена истог хромозома углавном зависи од растојања које постоји између њих; што је мања физичка удаљеност међу њима, то је нижа фреквенција размене.
Функције и посљедице хомологне рекомбинације
Генетски материјал је стално изложен оштећењима, узрокованим ендогеним и егзогеним изворима, као што је зрачење, на пример.
Процењује се да ће људске ћелије имати значајан број ДНК лезија, у редовима од десетина до стотина дневно. Ове лезије је потребно поправити како би се избегле потенцијалне штетне мутације, репликација и блок транскрипције и оштећења на нивоу хромозома.
Са медицинског становишта, оштећење ДНК које се не поправља правилно доводи до развоја тумора и других патологија.
Хомолошка рекомбинација је догађај који омогућава поправљање ДНК, омогућава опоравак изгубљених секвенци, користећи други (хомологни) ланац ДНК као образац.
Овај метаболички процес је присутан у свим облицима живота, пружајући висококвалитетни механизам који омогућава поправљање „празнина“ у ДНК, дволанчане прекиде и унакрсне везе између ДНК ланаца.
Једна од најважнијих последица рекомбинације је стварање нових генетских варијација. Упоредо са мутацијама, то су два процеса која стварају варијације у живим бићима - запамтите да је варијација сировина еволуције.
Поред тога, пружа механизам за ресетирање виљушки за репликацију које су оштећене.
У бактеријама
Код бактерија постоје чести хоризонтални догађаји преноса гена. Они су класификовани као коњугација, трансформација и трансдукција. Овде прокариоти узимају ДНК из другог организма, па чак и из различитих врста.
Током ових процеса долази до хомологне рекомбинације између ћелије примаоца и ћелије даваоца.
Механизам
Хомолошка рекомбинација започиње прекидом једног од ланаца молекуле хромозомске ДНК. Након тога, догађа се низ корака катализираних од стране више ензима.
На 3 'крају где долази до резања упада хомологни двоструки ланац ДНК. Процес инвазије је пресудан. Под "хомологним ланцем" подразумевамо делове хромозома који имају исте гене у линеарном редоследу, мада нуклеотидне секвенце не морају бити идентичне.
Синапсе
Ова инвазија у ланац поставља хомологне хромозоме окренути један према другом. Овај феномен сусрета нити се назива синапса (да се не меша са синапсом у неуронима, овде се термин користи са другим значењем).
Синапсија не подразумева нужно директан контакт између обе хомологне секвенце, ДНК се може наставити кретати неко време док не нађе хомологни део. Овај поступак претраживања назива се хомологно поравнање.
Формирање Д-петље
Тада се догађа догађај зван "инвазија нити". Хромосом је двострука спирала ДНК. У хомологној рекомбинацији, два хромозома траже своје хомологне секвенце. У једном од спирала, праменови се раздвајају и овај прамен "упада" у двоструку спиралну структуру, творећи структуру која се назива Д петља.
Д-петља је померена због инвазије ломљиве ломе и парира се с комплементарним жицама изворне двоструке спирале.
Формирање холливоодског чвора
Следећи корак је формирање холливоодских синдиката. Овде су крајеви измењених жица везани заједно. Овај савез има могућност кретања у било ком правцу. Зглоб се може сломити и формирати више пута.
Коначни процес рекомбинације је резолуција ових сједињења и постоје два начина или начина на која ћелија то постиже. Један од њих је цепање споја или процесом званим растварање, типичним за еукариотске организме.
У првом механизму, разбијањем Холлидаиевог чвора регенеришу се два ланца. У другом случају "распада", долази до својеврсног колапса у синдикату.
Протеини који су укључени
Кључни протеин у процесу рекомбинације назива се Рад51 у еукариотским ћелијама, а РецА у Есцхерицхиа цоли. Делује у различитим фазама рекомбинације: пре, за време и после синапсе.
Протеин Рад51 олакшава формирање физичке везе између инвазивне ДНК и каљене ДНК. У овом процесу се ствара хетеродуплексна ДНК.
Рад51 и његов РецА колега катализују потрагу за хомологном ДНК и размену ланаца ДНК. Ови протеини имају способност да се кооперативно везују за једнопојасну ДНК.
Постоје такође паралогни гени (који потичу од умножавања гена у роду организама) из Рад51, који се називају Рад55 и Рад57. У људи је идентификовано пет Рад51 гена паралога који се називају Рад51Б, Рад51Ц, Рад51Д, Ксрцц2 и Ксрцц3.
Аномалије повезане са процесима рекомбинације
Пошто рекомбинација захтева физичко везивање на хромозоме, то је пресудан корак у правилној сегрегацији током мејозе. Ако се не догоди правилна рекомбинација, резултат може бити главна патологија.
Недисјункција хромозома или грешке у сегрегацији су један од најчешћих узрока побачаја и аномалија хромосомског порекла, попут трисомије хромозома 21, што изазива Довнов синдром.
Иако је рекомбинација обично прилично прецизан процес, регије генома које се понављају и гени који имају вишеструких примерака широм генома склони су неравномерном унакрсном пресеку.
Ово крижање производи различите клинички значајне особине, укључујући уобичајене болести попут таласемије и аутизма.
Примене за рекомбинацију
Молекуларни биолози су искористили знање о механизму хомологне рекомбинације за стварање различитих технологија. Једна од њих омогућава стварање "кноцкоут" организама.
Ови генетски модификовани организми омогућавају расветљавање функције гена који нас занима.
Једна од методологија која се користи за стварање кноцкоутс-а састоји се у сузбијању експресије одређеног гена, замењујући оригинални ген модификованом или „оштећеном“ верзијом. Ген се замењује за мутирану верзију хомологном рекомбинацијом.
Остале врсте рекомбинације
Поред хомологне или легитимне рекомбинације, постоје и друге врсте размене генетског материјала.
Када су региони ДНК који размењују материјал неалелни (хомологни хромозоми), резултат је умножавање или смањивање гена. Овај поступак је познат као нехомолошка рекомбинација или неједнака рекомбинација.
Заједно, генетски материјал се такође може размењивати између сестринских хроматида на истом хромозому. Овај процес се одвија и у мејотској и митотској подели, а назива се неједнаком разменом.
Референце
- Бакер, ТА, Ватсон, ЈД, & Белл, СП (2003). Молекуларна биологија гена. Издавачка компанија Бењамин-Цуммингс.
- Девлин, ТМ (2004). Биохемија: уџбеник са клиничком применом. Преокренуо сам се.
- Јасин, М., и Ротхстеин, Р. (2013). Поправак пукотина праменова хомологном рекомбинацијом. Перспективе Цолд Спринг Харбор из биологије, 5 (11), а012740.
- Ли, Кс., и Хеиер, ВД (2008). Хомолошка рекомбинација у поправку ДНК и толеранција оштећења ДНА. Целл ресеарцх, 18 (1), 99-113.
- Мурраи, ПР, Росентхал, КС, и Пфаллер, МА (2017). Медицинска микробиологија. Елсевиер Хеалтх Сциенцес.
- Нуссбаум, РЛ, МцИннес, РР и Виллард, ХФ (2015). Тхомпсон & Тхомпсон генетика у медицини е-књига. Елсевиер Хеалтх Сциенцес.
- Виргили, РО и Табоада, ЈМВ (2006). Људски геном: нови напредак у истраживању, дијагностици и лечењу. Издања Университат Барцелона.