Типы и механизмы генетической рекомбинации

генетическая рекомбинация это процесс, посредством которого молекулы нуклеиновой кислоты обмениваются фрагментами, генерируя новую молекулу. Это очень часто встречается в ДНК, но РНК также является субстратом для рекомбинации. После мутации рекомбинация является наиболее важным источником генерации генетической изменчивости..

ДНК участвует в разных биохимических процессах. Во время репликации он служит шаблоном для генерации двух новых молекул ДНК. В транскрипции это позволяет генерировать молекулы РНК из определенных областей, контролируемых промотором.

Но в дополнение к этому ДНК также способна обмениваться фрагментами. Благодаря этому процессу генерируются новые комбинации, которые не являются продуктом двух предыдущих процессов, ни оплодотворения.

Любой процесс рекомбинации включает разрушение и связывание молекул ДНК, участвующих в процессе. Этот механизм варьируется в зависимости от того, какой субстрат рекомбинации, ферменты участвуют в процессе, и механизм его выполнения.

Как правило, рекомбинация зависит от наличия комплементарных областей, сходных (если не идентичных) или гомологичных между рекомбинирующими молекулами. В случае, когда они рекомбинируют молекулы в процессах, не управляемых гомологией, говорят, что рекомбинация не гомологична.

Если гомология включает в себя очень короткую область, присутствующую в обеих молекулах, говорят, что рекомбинация является сайт-специфической.

индекс

• 1 Определение
  • 1.1 Хиазм и сшивание
• 2 Типы генетической рекомбинации
  • 2.1-сайт-специфическая рекомбинация
  • 2.2-гомологическая рекомбинация
  • 2.3 - Негомологичная рекомбинация
• 3 Важность рекомбинации
  • 3.1 Значение как причина: репликация и восстановление ДНК
  • 3.2 Важность как следствие: генерация генетической изменчивости
  • 3.3 Рекомбинация и здоровье
• 4 Ссылки

определение

То, что мы называем гомологией в рекомбинации, не обязательно указывает на эволюционное происхождение участвующих молекул. Мы говорим больше о степени сходства в нуклеотидной последовательности.

Например, нерепаративная рекомбинация происходит у эукариот во время процесса мейоза. Несомненно, не может быть большей гомологии, чем между парами хромосом в одной клетке.

Вот почему они называются гомологичными хромосомами. Однако существуют случаи, когда ДНК клетки обменивается материалом с чужеродной ДНК. Эти ДНК должны быть очень похожи на рекомбинацию, но они не обязательно должны иметь одного и того же предка (гомологию) для достижения этого..

Хиазм и сшивание

Сайт объединения и обмена между двумя молекулами ДНК называется хиазмом, а сам процесс сшивания. Во время скрещивания подтверждается обмен полос между участвующими ДНК..

Это создает коинтеграцию, которая представляет собой две молекулы ДНК, физически объединенные в одну. Когда коинтеграция «решена», генерируются две молекулы, обычно изменяемые (рекомбинантные).

«Решить» в контексте рекомбинации - разделить молекулы ДНК на компоненты коинтеграции..

Типы генетической рекомбинации

-Сайт-специфическая рекомбинация

При сайт-специфической рекомбинации две молекулы ДНК, как правило, негомологичные, имеют короткую последовательность, общую для обеих. Эта последовательность является мишенью для специфического фермента сплайсинга.

Фермент, способный распознавать эту последовательность, а не другую, разрезает ее в определенном месте в обеих молекулах. С помощью некоторых других факторов он обменивается полосами ДНК двух участвующих молекул и образует коинтеграцию..

Кишечная палочка и лямбда

Это основа формирования коинтеграции между геномом бактерии Кишечная палочка и это из бактериофага лямбда. Бактериофаг - это вирус, который заражает бактерии.

Образование этой коинтеграции осуществляется ферментом, кодируемым в геноме вируса: лямбда интегразой. Это распознает общую последовательность под названием ATTP в кольцевом геноме вируса, и attB в бактерии.

Разрезая обе последовательности в обеих молекулах, он генерирует свободные сегменты, обменивается полосами и объединяет два генома. Большой круг образуется или коинтегрируется.

В коинтегрированном геном вируса пассивно переносится бактериальным геномом, с которым он размножается. В этом состоянии говорится, что вирус находится в состоянии провируса, и что бактерия лизогена для того же.

Обратный процесс, то есть совместное разрешение, может занять много поколений - или даже не происходить. Однако, если это будет сделано, он будет ферментативно опосредован другим белком, кодируемым геномом вируса, называемым excisionasa. Когда это происходит, вирус отделяется от коинтеграции, реактивируется и вызывает лизис клеток..

-Гомологичная рекомбинация

Генерализованная рекомбинация

Гомологичная рекомбинация верифицируется между молекулами ДНК, которые имеют по меньшей мере 40 нуклеотидов полного или почти полного сходства. Чтобы выполнить процесс рекомбинации, по крайней мере, одна эндонуклеаза должна участвовать.

Эндонуклеазы - это ферменты, которые генерируют внутренние разрезы в ДНК. Некоторые делают это, чтобы приступить к деградации ДНК. Другие, как в случае рекомбинации, делают это, чтобы создать вмятину в ДНК.

Этот уникальный ник позволяет обрабатывать одну полосу ДНК со свободным концом. Этот свободный конец, управляемый рекомбиназой, позволяет одной полосе проникать в двойную ДНК, смещая идентичную ей резидентную полосу..

Это точка пересечения между молекулой донорской ДНК («захватчик») и другим реципиентом.

Фермент (рекомбиназа), который осуществляет процесс инвазии и обмена полос в Кишечная палочка это называется RecA. У прокариот есть и другие гомологичные белки, такие как RadA у архей. У эукариот эквивалентный фермент называется RAD51.

Как только вторгающаяся банда вытесняет резидента, она взаимодействует с полосой, которая осталась простой в молекуле донора. Обе точки запечатаны действием лигазы.

Теперь у нас есть ДНК из гибридных полос (донорная полоса и полоса рецептора различного происхождения), фланкированная донорской ДНК и реципиентной ДНК. Точки пересечения (хиазмы) движутся в обоих направлениях не менее 200 п.н..

Каждая точка сшивки образует так называемую структуру Холлидея (крестообразная ДНК, полученная в результате события рекомбинации)..

Эта крестообразная ДНК должна быть разделена другими эндонуклеазами. Гибридная или химерная ДНК этой структуры может быть решена двумя способами. Если второй разрез эндонуклеотидов происходит в той же полосе, в которой произошел первый, рекомбинация не генерируется. Если второй срез происходит в другой полосе, полученные продукты являются рекомбинантными.

Рекомбинация V (D) J

Это тип соматической рекомбинации (не мейотической), который способствует генерации в огромной изменчивости антител иммунной системы.

Эта рекомбинация верифицируется в определенных фрагментах генов, которые кодируют полипептидные цепи, которые их определяют. Он осуществляется B-клетками и включает в себя различные генетические регионы.

Интересно, что есть такие паразиты, как Trypanosoma brucei которые используют аналогичный механизм рекомбинации для создания изменчивости в поверхностном антигене. Таким образом, они могут уклониться от ответа хозяина, если он не способен генерировать антитело, способное распознавать «новый» антиген..

-Негомологичная рекомбинация

Наконец, существуют процессы рекомбинации, которые не зависят от сходства последовательностей участвующих молекул. У эукариот это очень важно, например, рекомбинация негомологичных концов.

Это происходит с фрагментами ДНК, которые имеют двухзонные разрывы в ДНК. Они «ремонтируются» ячейкой, соединяя их с другими фрагментами, в равной степени с разрывами двойной полосы.

Однако эти молекулы не обязательно должны быть похожими, чтобы участвовать в этом процессе рекомбинации. То есть, восстанавливая повреждение, клетка может связывать неродственные ДНК, создавая действительно новую (рекомбинантную) молекулу. 

Важность рекомбинации

Важность как причина: репликация и репарация ДНК

Рекомбинация гарантирует достоверность информации ДНК во время и после процесса репликации. Рекомбинация обнаруживает повреждение ДНК в процессе создания новых полос в этой чрезвычайно длинной макромолекуле.

Поскольку каждая группа имеет свою собственную информацию и информацию о своем дополнении, рекомбинация гарантирует, что ни одна из них не будет потеряна. Каждый действует как свидетель для другого. Точно так же у диплоидных организмов гомологичная хромосома является свидетелем своего брата, и наоборот.

С другой стороны, после репликации ДНК механизмы восстановления повреждений этой молекулы изменяются. Некоторые из них являются прямыми (действует непосредственно на травму), а другие являются косвенными.

Механизмы косвенного восстановления зависят от проводимой рекомбинации. То есть, чтобы восстановить повреждение в одной молекуле ДНК, используется другая гомологичная молекула. Это будет действовать в репаративной рекомбинации как плесень, которая получила повреждение.

Значение как следствие: генерация генетической изменчивости

Рекомбинация способна создать огромную хромосомную изменчивость во время мейоза. Соматическая рекомбинация также генерирует изменчивость, как в случае антител у позвоночных.

У многих организмов мейоз является gamética. В организмах с половым размножением рекомбинация оказывается одним из самых мощных способов создания изменчивости.

То есть к спонтанной мутации и сегрегации хромосом необходимо добавить рекомбинацию в качестве еще одного элемента-генератора гаметной изменчивости..

С другой стороны, интеграция геномов бактериофагов путем сайт-специфической рекомбинации способствовала ремоделированию генома их бактерий-хозяев..

Это способствовало созданию геномной изменчивости и эволюции этой важной группы живых существ..

Рекомбинация и здоровье

Мы уже видели, что ДНК можно восстановить, но не то, что ее повреждает. На самом деле, почти все может повредить ДНК, начиная с дефектной репликации, которая не исправлена.

Но помимо этого, ДНК может быть повреждена ультрафиолетовым излучением, ионизирующим излучением, свободными кислородными радикалами, продуктом клеточного дыхания, а также тем, что мы едим, курим, дышим, едим или прикасаемся.

К счастью, вам не нужно отказываться от жизни, чтобы защитить ДНК. Нужно отказаться от определенных вещей, но большая работа выполняется самой клеткой. Эти механизмы обнаружения повреждения ДНК и ее восстановления, очевидно, имеют генетическую основу, а ее недостаток - огромные последствия..

Заболевания, связанные с дефектами гомологичной рекомбинации, включают, например, синдромы Блума и Вернера, семейный рак молочной железы и яичников и т.д..

ссылки

1. Альбертс Б., Джонсон А.Д., Льюис Дж., Морган Д., Рафф М., Робертс К., Уолтер П. (2014) Молекулярная биология клетки (6-е издание). W. W. Norton & Company, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США.
2. Белл, J.C., Kowalczykowski, S.C. (2016) Механика и одно-молекулярный опрос рекомбинации ДНК. Ежегодный обзор биохимии, 85: 193-226.
3. Прадо, Ф. () Гомологичная рекомбинация: к форку и дальше. Genes, doi: 10.3390 / genes9120603
4. Griffiths A.J.F., Wessler R., Carroll S.B., Doebley J. (2015). Введение в генетический анализ (11-е изд.). Нью-Йорк: У. Х. Фриман, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США.
5. Tock, A.J., Henderson, I.R. (2018) Горячие точки для инициации мейотической рекомбинации. Границы в области генетики, дои: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Валь, А., Баттести, А., Ансальди, М. (2018) Salmonella enterica: движущая сила в изменении генома и физиологии их бактериального хозяина? Молекулярная микробиология, doi: 10,1111 / mmi.14167.
7. Wright W. D., Shah S., Heyer, W. D. (2018) Гомологичная рекомбинация и репарация ДНК двухцепочечных разрывов. Журнал биологической химии, 293: 10524-10535