Гомологичные рекомбинационные функции, механизм и применения



гомологичная рекомбинация это процесс, который включает обмен молекулами ДНК между похожими или идентичными участками генома. Клетки используют гомологичную рекомбинацию в основном для восстановления разрывов в генетическом материале, вызывая генетические изменения в популяциях.

В общем, гомологичная рекомбинация подразумевает физическое спаривание между гомологичными зонами генетического материала с последующим разрывом цепей, которые будут подвергаться обмену, и, наконец, объединение новых молекул ДНК в сочетании.

Разрывы в ДНК должны быть восстановлены как можно быстрее и эффективнее. Когда повреждения не устранены, последствия могут быть серьезными и даже смертельными. У бактерий основной функцией гомологичной рекомбинации является восстановление этих разрывов в генетическом материале..

Гомологичная рекомбинация считается одним из основных механизмов, обеспечивающих стабильность генома. Он присутствует во всех сферах жизни и даже в вирусах, поэтому, по-видимому, это жизненно важный механизм, который появился очень рано в эволюции жизни.

индекс

  • 1 Историческая перспектива
  • 2 Что такое гомологичная рекомбинация?
  • 3 Функции и последствия гомологичной рекомбинации
    • 3.1 В бактериях
  • 4 Механизм
    • 4.1 Синапсы
    • 4.2 Тренировка D петли
    • 4.3 Формирование Холлидей Союзов
    • 4.4 Белки участвуют
  • 5 Нарушения, связанные с процессами рекомбинации
  • 6 Применение рекомбинации
  • 7 Другие виды рекомбинации
  • 8 ссылок

Историческая перспектива

Одним из наиболее важных принципов, предложенных Грегором Менделем, является независимость в разделении персонажей. Согласно этому закону, разные гены передаются от родителей к детям независимо.

Однако в 1900 году наличие очень заметных исключений из этого принципа стало очевидным. Английские генетики Бейтсон и Паннетт продемонстрировали, что во многих случаях определенные символы наследуются вместе, и для этих особенностей принцип, изложенный Менделем, не имеет силы.

Более поздние исследования позволили выяснить существование процесса рекомбинации, когда клетки смогли обмениваться генетическим материалом. В случаях, когда гены наследуются вместе, ДНК не обменивается из-за физической близости между генами.

Что такое гомологичная рекомбинация?

Гомологичная рекомбинация - это клеточный феномен, который включает физический обмен последовательностями ДНК между двумя хромосомами. Рекомбинация включает в себя набор генов, известных как гены запись. Эти коды для различных ферментов, участвующих в процессе.

Молекулы ДНК считаются «гомологичными», когда они имеют сходные или идентичные последовательности из более чем 100 пар оснований. ДНК имеет небольшие области, которые могут отличаться друг от друга, и эти варианты известны как аллели.

У живых существ вся ДНК считается рекомбинантной ДНК. Обмен генетическим материалом между хромосомами происходит непрерывно, смешивая и переставляя гены в хромосомах..

Этот процесс происходит, очевидно, в мейозе. Конкретно в фазе, где хромосомы спарены в первом клеточном делении. На этом этапе происходит обмен генетическим материалом между хромосомами..

Исторически этот процесс обозначен в литературе с использованием англосаксонского слова пересечение. Это событие является одним из результатов гомологичной рекомбинации.

Частота пересечение между двумя генами одной и той же хромосомы зависит в основном от расстояния между ними; чем меньше физическое расстояние между ними, тем ниже частота обмена.

Функции и последствия гомологичной рекомбинации

Генетический материал постоянно подвергается повреждениям, вызванным эндогенными и экзогенными источниками, такими как, например, радиация..

Подсчитано, что клетки человека представляют значительное количество повреждений в ДНК, порядка от десятков до сотен в день. Эти повреждения должны быть исправлены, чтобы избежать потенциальных вредных мутаций, блокировок в репликации и транскрипции и повреждения на хромосомном уровне..

С медицинской точки зрения повреждение ДНК, которое не восстанавливается правильно, приводит к развитию опухолей и других патологий..

Гомологичная рекомбинация - это событие, которое позволяет репарации в ДНК, позволяя восстановить потерянные последовательности, используя в качестве матрицы другую цепь ДНК (гомологичную)..

Этот метаболический процесс присутствует во всех формах жизни, обеспечивая механизм высокой точности, который позволяет восстанавливать «разрывы» в ДНК, двухцепочечные разрывы и поперечные связи между цепями ДНК.

Одним из наиболее важных последствий рекомбинации является генерация новых генетических вариаций. Вместе с мутациями они являются двумя процессами, которые генерируют вариации в живых существах - помните, что вариации являются сырьем для эволюции.

Кроме того, он предоставляет механизм для перезапуска вилок репликации, которые были повреждены.

В бактериях

У бактерий нередки случаи горизонтального переноса генов. Они классифицируются как сопряжение, преобразование и преобразование. Здесь прокариоты берут ДНК из другого организма, и даже из разных видов.

Во время этих процессов происходит гомологичная рекомбинация между клеткой-реципиентом и клеткой-донором.

механизм

Гомологичная рекомбинация начинается с разрыва одной из цепей молекулы хромосомной ДНК. После этого происходит ряд этапов, катализируемых несколькими ферментами..

3'-конец, где происходит разрез, пронизан двойной гомологичной цепью ДНК. Процесс вторжения имеет решающее значение. С «гомологичной цепью» мы хотим ссылаться на части хромосом, которые имеют одинаковые гены в линейном порядке, хотя нуклеотидные последовательности не обязательно должны быть идентичными.

синапс

Эта инвазия нити размещает гомологичные хромосомы лицом друг к другу. Этот феномен столкновения нитей называется синапсисом (не путать с синапсами в нейронах, здесь этот термин используется с другим значением).

Синапс не обязательно подразумевает прямой контакт между обеими гомологичными последовательностями, ДНК может продолжать двигаться некоторое время, пока не найдет гомологичную часть. Этот процесс поиска называется гомологичным выравниванием.

Формирование петли D

Затем происходит событие, называемое «вторжение в поток». Хромосома - это двойная спираль ДНК. При гомологичной рекомбинации две хромосомы ищут свои гомологичные последовательности. В одной из спиралей нити разделяются, и эта нить «проникает» в структуру двойной спирали, образуя структуру, называемую петлей D.

Цепочка D-петли была смещена вторжением нити, которая представляет разрыв и соединяется с комплементарной нитью исходной двойной спирали.

Формирование Холлидей Союзов

Следующим шагом является формирование Холлидейских перекрестков. Здесь концы обмениваемых потоков связаны между собой. Этот союз имеет возможность двигаться в любом направлении. Союз может быть разбит и образован несколько раз.

Последний процесс рекомбинации - разрешение этих соединений, и есть два пути или пути, которыми клетка достигает этого. Одним из них является расщепление соединения или процесс, называемый растворением, типичным для эукариотических организмов..

В первом механизме разрыв объединения Холлидей восстанавливает две цепи. В другом случае «роспуска» происходит своего рода коллапс в союзе.

Белки участвуют

Важный белок процесса рекомбинации называется Rad51 в эукариотических клетках, а RecA в Кишечная палочка. Он работает на разных фазах рекомбинации: до, во время и после синапса.

Белок Rad51 облегчает формирование физической связи между вторгающейся ДНК и закаленной ДНК. В этом процессе генерируется гетеродуплексная ДНК.

Rad51 и его гомолог RecA катализируют поиск гомологичной ДНК и обмен цепей ДНК. Эти белки обладают способностью объединяться в одну полосу ДНК.

Существуют также паралогические гены (возникшие в результате дупликации генов в линии организмов) Rad51, называемые Rad55 и Rad57. У людей было идентифицировано пять генов паралога Rad51, названных Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 и Xrcc3..

Нарушения, связанные с процессами рекомбинации

Поскольку рекомбинация требует физического связывания в хромосомах, это важный шаг в правильной сегрегации во время мейоза. Если адекватная рекомбинация не происходит, результатом может быть значительная патология.

Нерасщепление хромосом или ошибки в сегрегации является одной из наиболее частых причин абортов и аномалий хромосомного происхождения, таких как трисомия 21 хромосомы, которая вызывает синдром Дауна..

Хотя рекомбинация обычно является довольно точным процессом, участки генома, которые повторяются, и гены, имеющие несколько копий вдоль генома, являются элементами, склонными к неравное пересечение.

Это скрещивание вызывает различные клинические признаки, включая частые заболевания, такие как талассемия и аутизм..

Приложения рекомбинации

Молекулярные биологи воспользовались знаниями механизма гомологичной рекомбинации для создания различных технологий. Один из них позволяет создавать организмы "нокаут".

Эти генетически модифицированные организмы позволяют выяснить функцию интересующего гена.

Одна из методологий, использованных для создания нокауты он состоит из подавления экспрессии специфического гена, заменяя исходный ген модифицированной или «поврежденной» версией. Ген заменяется на мутированную версию посредством гомологичной рекомбинации.

Другие виды рекомбинации

Помимо гомологичной или законной рекомбинации, существуют и другие типы обмена генетическим материалом..

Когда области ДНК, которые обмениваются материалом, являются неаллельными (из гомологичных хромосом), результатом является дублирование или уменьшение генов. Этот процесс известен как негомологичная рекомбинация или неравная рекомбинация.

Вместе генетический материал также можно обменивать между сестринскими хроматидами одной и той же хромосомы. Этот процесс происходит как в мейотическом, так и в митотическом делении, и называется неравным обменом.

ссылки

  1. Бейкер, Т. А., Уотсон, Дж. Д. и Белл, С. П. (2003). Молекулярная биология гена. Бенджамин-Каммингс, издательская компания.
  2. Девлин Т. М. (2004). Биохимия: учебник с клиническими приложениями. Я поменял.
  3. Jasin, M. & Rothstein, R. (2013). Восстановление разрывов цепи гомологичной рекомбинацией. Перспективы Колд Спринг Харбор в биологии, 5(11), a012740.
  4. Li X. & Heyer W. D. (2008). Гомологичная рекомбинация в репарации ДНК и устойчивость к повреждению ДНК. Клеточные исследования, 18(1), 99-113.
  5. Murray, P.R., Rosenthal, K.S., & Pfaller, M.A. (2017). Медицинская микробиология. Elsevier Health Sciences.
  6. Нуссбаум Р.Л., Макиннес Р.Р. и Уиллард Х.Ф. (2015). Томпсон и Томпсон генетика в медицине электронная книга. Elsevier Health Sciences.
  7. Virgili, R. O. & Taboada, J.M. V. (2006). Геном человека: новые достижения в исследованиях, диагностике и лечении. Указы Университета Барселоны.