Plik rekombinacja genetyczna jest to proces, w którym cząsteczki kwasu nukleinowego wymieniają fragmenty, tworząc nową cząsteczkę. Występuje bardzo często w DNA, ale RNA jest również substratem do rekombinacji. Rekombinacja jest po mutacji najważniejszym źródłem generowania zmienności genetycznej.
DNA uczestniczy w różnych procesach biochemicznych. Podczas replikacji służy jako szablon do generowania dwóch nowych cząsteczek DNA. W transkrypcji umożliwia generowanie cząsteczek RNA z określonych regionów kontrolowanych przez promotor.
Ale oprócz tego DNA jest również zdolne do wymiany fragmentów. Poprzez ten proces generuje nowe kombinacje, które nie są produktem dwóch poprzednich procesów ani zapłodnienia..
Cały proces rekombinacji polega na rozerwaniu i połączeniu cząsteczek DNA, które biorą udział w tym procesie. Mechanizm ten różni się w zależności od substratu rekombinacji, enzymów biorących udział w procesie oraz mechanizmu jego wykonywania..
Rekombinacja ogólnie zależy od istnienia komplementarnych, podobnych (jeśli nie identycznych) lub homologicznych regionów między rekombinowanymi cząsteczkami. W przypadku, gdy cząsteczki rekombinują w procesach nie kierujących się homologią, mówi się, że rekombinacja jest niehomologiczna.
Jeśli homologia obejmuje bardzo krótki region obecny w obu cząsteczkach, mówi się, że rekombinacja jest specyficzna dla miejsca..
Indeks artykułów
To, co nazywamy homologią w rekombinacji, niekoniecznie odnosi się do ewolucyjnego pochodzenia uczestniczących cząsteczek. Mówimy więcej o stopniu podobieństwa w sekwencji nukleotydów.
Na przykład rekombinacja niereparatywna zachodzi u eukariontów podczas procesu mejozy. Niewątpliwie nie może być większej homologii niż między parami chromosomów w tej samej komórce.
Dlatego nazywane są chromosomami homologicznymi. Istnieją jednak przypadki, w których DNA komórki wymienia materiał z obcym DNA. Te DNA muszą być bardzo podobne do rekombinacji, ale niekoniecznie muszą mieć tego samego przodka (homologię), aby to osiągnąć..
Miejsce przyłączenia i wymiany między dwiema cząsteczkami DNA nazywane jest chiazmą, a sam proces nazywany jest sieciowaniem. Podczas krzyżowania weryfikowana jest wymiana prążków między uczestniczącymi DNA..
Powoduje to powstanie kointegratu, czyli dwóch cząsteczek DNA fizycznie połączonych w jedną. Podczas „rozwiązywania” kointegratu generowane są dwie cząsteczki, generalnie zmieniane (rekombinowane).
„Rozwiązanie”, w kontekście rekombinacji, oznacza oddzielenie cząsteczek składowych DNA z kointegratu.
W rekombinacji specyficznej dla miejsca dwie cząsteczki DNA, generalnie niehomologiczne, mają krótką sekwencję wspólną dla obu. Ta sekwencja jest celem określonego enzymu splicingowego.
Enzym, zdolny do rozpoznania tej, a nie innej sekwencji, tnie ją w określonym miejscu w obu cząsteczkach. Z pomocą kilku innych czynników zamienia prążki DNA dwóch uczestniczących cząsteczek i tworzy kointegrat.
To jest podstawa tworzenia się kointegratu między genomem bakterii Escherichia coli i bakteriofaga lambda. Bakteriofag to wirus, który infekuje bakterie.
Tworzenie tego kointegratu jest przeprowadzane przez enzym kodowany w genomie wirusa: integrazę lambda. Rozpoznaje wspólną sekwencję nazwaną attP w kolistym genomie wirusa, i attB w przypadku bakterii.
Przecinając obie sekwencje w obu cząsteczkach, generuje wolne segmenty, zamienia prążki i łączy dwa genomy. Następnie tworzy się większy lub skointegrowany okrąg.
Podczas kointegracji genom wirusa jest biernie przenoszony przez genom bakterii, z którym się replikuje. W tym stanie mówi się, że wirus jest w stanie prowirusa, a bakteria jest dla niego lizogenna..
Odwrotny proces, czyli rozkład kointegratu, może zająć wiele pokoleń - a nawet nie zajść. Jednak w ten sposób enzymatycznie pośredniczy inne białko kodowane przez genom wirusa, zwane wycięciem. W takim przypadku wirus oddziela się od kointegracji, reaktywuje i powoduje lizę komórek..
Homologiczna rekombinacja zachodzi między cząsteczkami DNA, które mają co najmniej około 40 nukleotydów o całkowitym lub prawie całkowitym podobieństwie. Aby przeprowadzić proces rekombinacji, musi uczestniczyć co najmniej jedna endonukleaza.
Endonukleazy to enzymy, które dokonują wewnętrznych nacięć w DNA. Niektórzy robią to, aby przystąpić do degradacji DNA. Inni, jak w przypadku rekombinacji, robią to, aby wygenerować wgniecenie w DNA.
Ten unikalny nick pozwala na obróbkę pojedynczego prążka DNA z wolnym końcem. Ten wolny koniec, zorientowany przez rekombinazę, pozwala pojedynczemu prążkowi na zaatakowanie podwójnego DNA, zastępując rezydentny prążek identyczny z nim..
Jest to punkt przecięcia między cząsteczką DNA dawcy („najeźdźcy”) a innym receptorem..
Enzym (rekombinaza), który przeprowadza proces inwazji i wymiany pasma Escherichia coli nazywa się RecA. Istnieją inne homologiczne białka u prokariotów, takie jak RadA u archeonów. U eukariontów równoważny enzym nazywa się RAD51.
Gdy inwazyjna opaska przemieszcza rezydenta, wchodzi ona w interakcję z prążkiem, który pozostał prosty w cząsteczce dawcy. Oba miejsca są uszczelnione przez działanie ligazy.
Teraz mamy DNA składające się z hybrydowych prążków (prążka dawcy i pasma biorcy, o różnym pochodzeniu) otoczonych przez DNA dawcy i DNA biorcy. Punkty przecięcia (chiasmata) poruszają się w obu kierunkach o co najmniej 200 pz.
Każdy punkt krzyżowania tworzy coś, co jest znane jako struktura Hollidaya (krzyżowy produkt DNA zdarzenia rekombinacji).
Ten krzyżowy DNA musi zostać rozszczepiony przez inne endonukleazy. Chimeryczny lub hybrydowy DNA o tej strukturze można rozdzielić na dwa sposoby. Jeśli drugie cięcie endonukleotydowe zachodzi w tym samym prążku co pierwsze, rekombinacja nie zachodzi. Jeśli drugie cięcie nastąpi w drugim prążku, otrzymane produkty są rekombinowane.
Jest to rodzaj rekombinacji somatycznej (nie mejotycznej), która przyczynia się do powstania olbrzymiej zmienności przeciwciał układu odpornościowego.
Ta rekombinacja zachodzi w określonych fragmentach genów, które kodują łańcuchy polipeptydowe, które je definiują. Jest wykonywany przez komórki B i obejmuje różne regiony genetyczne.
Co ciekawe, są takie pasożyty Trypanosoma brucei które wykorzystują podobny mechanizm rekombinacji do wytworzenia zmienności w antygenie powierzchniowym. W ten sposób mogą uniknąć odpowiedzi gospodarza, jeśli gospodarz nie wytworzy przeciwciała zdolnego do rozpoznawania „nowego” antygenu..
Wreszcie istnieją procesy rekombinacji, które nie zależą od podobieństwa sekwencji uczestniczących cząsteczek. Na przykład u eukariontów bardzo ważna jest rekombinacja niehomologicznych końców.
Dzieje się tak w przypadku fragmentów DNA, które wykazują podwójne przerwy w DNA. Są one „naprawiane” przez komórkę łączącą je z innymi fragmentami również z przerwami dwupasmowymi.
Jednak te cząsteczki niekoniecznie muszą być podobne, aby uczestniczyć w tym procesie rekombinacji. Oznacza to, że naprawiając uszkodzenie, komórka może dołączyć do niezwiązanych ze sobą DNA, tworząc w ten sposób naprawdę nową (rekombinowaną) cząsteczkę.
Rekombinacja zapewnia wierność informacji DNA w trakcie i po procesie replikacji. Rekombinacja wykrywa uszkodzenia DNA podczas nowego procesu tworzenia pasm w tej niezwykle długiej makrocząsteczce.
Ponieważ każdy prążek ma własne informacje i informacje o jego komplementarności, rekombinacja gwarantuje, że nic nie zostanie utracone. Każdy z nich jest dla siebie świadkiem. Podobnie w organizmach diploidalnych chromosom homologiczny jest świadkiem swojego rodzeństwa i odwrotnie.
Z drugiej strony, po replikacji DNA mechanizmy naprawy uszkodzeń tej cząsteczki są zróżnicowane. Niektóre są bezpośrednie (szkoda jest bezpośrednio skutkiem), a inne są pośrednie.
Mechanizmy naprawy pośredniej zależą od zachodzenia rekombinacji. Oznacza to, że aby naprawić uszkodzenie w cząsteczce DNA, stosuje się inną homologiczną cząsteczkę. To działałoby w rekombinacji reparatywnej jako szablon, z powodu którego doznał uszkodzenia..
Rekombinacja może powodować ogromną zmienność chromosomów podczas mejozy. Rekombinacja somatyczna również generuje zmienność, jak w przypadku przeciwciał u kręgowców.
W wielu organizmach mejoza jest gametyczna. W organizmach rozmnażanych płciowo rekombinacja jest jednym z najpotężniejszych sposobów generowania zmienności.
Oznacza to, że do spontanicznej mutacji i segregacji chromosomów należy dodać rekombinację jako kolejny element generujący zmienność gamet..
Z drugiej strony integracja genomów bakteriofagów poprzez rekombinację specyficzną dla miejsca przyczyniła się do przebudowy genomu ich bakterii gospodarza..
Przyczyniło się to do powstania zmienności genomu i ewolucji tej ważnej grupy istot żywych..
Widzieliśmy już, że DNA można naprawić, ale nie wiemy, co je uszkadza. W rzeczywistości prawie wszystko może uszkodzić DNA, poczynając od wadliwej replikacji, która pozostaje nieskorygowana..
Ale poza tym DNA może zostać uszkodzone przez światło UV, promieniowanie jonizujące, wolne rodniki tlenowe z oddychania komórkowego oraz to, co jemy, palimy, oddychamy, połykamy lub dotykamy..
Na szczęście nie musisz rezygnować z życia, aby chronić DNA. Z pewnych rzeczy trzeba zrezygnować, ale wielką pracę wykonuje sama komórka. Te mechanizmy wykrywania uszkodzeń DNA i ich naprawy mają oczywiście podłoże genetyczne, a ich niedobór ma ogromne konsekwencje.
Choroby związane z defektami rekombinacji homologicznej obejmują na przykład zespoły Blooma i Wernera, rodzinny rak piersi i jajnika itp..
Jeszcze bez komentarzy