Genetiska rekombinationstyper och mekanismer

den genetisk rekombination är processen genom vilken nukleinsyramolekyler utbyter fragment som genererar en ny molekyl. Det är mycket vanligt i DNA, men RNA är också ett substrat för rekombination. Rekombination är, efter mutation, den viktigaste källan till generering av genetisk variabilitet.

DNA deltar i olika biokemiska processer. Under replikation tjänar den som en mall för generering av två nya DNA-molekyler. I transkriptionen tillåter det att generera RNA-molekyler från specifika regioner kontrollerade av en promotor.

Men dessutom kan DNA också utbyta fragment. Genom denna process genereras nya kombinationer som inte är resultatet av de två tidigare processerna eller av befruktning.

Vilken rekombinationsprocess som helst involverar brytning och bindning av de DNA-molekyler som är involverade i processen. Denna mekanism varierar beroende på vilket är rekombinationssubstratet, enzymerna som är involverade i processen och mekanismen för dess utförande.

Rekombinationen beror generellt på förekomsten av komplementära regioner, liknande (om inte identiska) eller homologa mellan rekombinationsmolekylerna. I fallet att de rekombinerar molekyler i processer som inte styrs av homologi, sägs att rekombinationen inte är homolog.

Om homologin involverar en mycket kort region närvarande i båda molekylerna sägs det att rekombinationen är platsspecifik.

index

• 1 Definition
  • 1.1 Chiasm och tvärbindning
• 2 Typer av genetisk rekombination
  • 2.1-Site-specifik rekombination
  • 2,2-homolog rekombination
  • 2.3 - Icke-homolog rekombination
• 3 Betydelsen av rekombination
  • 3.1 Betydelse som orsak: DNA-replikering och reparation
  • 3.2 Betydelse som en följd: generering av genetisk variabilitet
  • 3.3 Rekombination och hälsa
• 4 referenser

definition

Det som vi kallar homologi i rekombinationen indikerar inte nödvändigtvis att de deltagande molekylernas evolutionära ursprung. Vi pratar mer om graden av likhet i nukleotidsekvensen.

Icke-reparativ rekombination förekommer exempelvis i eukaryoter under meioseprocessen. Utan tvekan kan det inte finnas någon större homologi än mellan par av kromosomer i samma cell.

Det är därför de kallas homologa kromosomer. Det finns emellertid fall där DNA i en cell utbyter material med ett främmande DNA. Dessa DNA måste likna rekombineras, men de behöver inte nödvändigtvis dela samma förfader (homologi) för att uppnå det.

Chiasm och tvärbindning

Webbplatsen för fackförening och utbyte mellan två DNA-molekyler kallas chiasm, och processen som sådan tvärbindning. Under samverkan verifieras en utbyte av band mellan de deltagande DNA: erna.

Detta genererar ett cointegrate, vilket är två DNA-molekyler som är fysiskt förenade i en. När cointegratet "löses" genereras två molekyler, förändras generellt (rekombinant).

"Lös", i samband med rekombination, är att separera DNA-molekylkomponenterna i ett cointegrat.

Typer av genetisk rekombination

-Site-specifik rekombination

Vid platsspecifik rekombination har två DNA-molekyler, i allmänhet icke-homologa, en kort sekvens gemensam för båda. Denna sekvens riktas mot ett specifikt splicingsenzym.

Enzymet, som kan känna igen denna sekvens och inte en annan, skär den vid en viss plats i båda molekylerna. Med hjälp av några andra faktorer utbyter de DNA-banden av de två deltagande molekylerna och bildar ett cointegrat.

Escherichia coli och lambda

Detta är grunden för bildandet av kointegratet mellan bakteriens genom Escherichia coli och den hos bakteriofagen lambda. En bakteriofag är ett virus som infekterar bakterier.

Bildandet av detta cointegrat utförs av ett enzym kodat i genomet av viruset: lambda integrasen. Detta känner igen en gemensam sekvens som heter attP i virusets cirkulära genom, och attB i bakterien.

Genom att skära båda sekvenserna i båda molekylerna alstrar det fria segment, byter band och förenar de två genomerna. En större cirkel bildas eller samverkas.

I den samordnade delen bärs genomet av viruset passivt av bakteriegenomet, med vilket det replikerar. I detta tillstånd sägs att viruset befinner sig i provirus, och att bakterien är lysogen för samma.

Den inverse processen, det vill säga den samordnade upplösningen, kan ta många generationer - eller inte ens uppstå. Om det är gjort, är det emellertid enzymatiskt medierat av ett annat protein kodat av virusgenomet kallat excisionasa. När detta inträffar separerar viruset från cointegratet, reaktiverar och orsakar celllysning.

-Homolog rekombination

Allmänt rekombination

Den homologa rekombinationen verifieras mellan DNA-molekyler som delar minst 40 nukleotider med fullständig eller nästan fullständig likhet. För att utföra rekombinationsprocessen måste åtminstone ett endonukleas delta.

Endonukleaser är enzymer som genererar interna nedskärningar i DNA. Vissa gör det för att fortsätta att försämra DNA. Andra, som i fallet med rekombination, gör det för att generera en dent i DNA.

Detta unika nick tillåter dig att bearbeta ett enda DNA-band med en fri ände. Denna fria ände, styrd av ett rekombinas, tillåter ett enda band att invadera ett dubbel DNA genom att förskjuta det residenta bandet identiskt med det.

Detta är korspunkten mellan en donator-DNA-molekyl ("invaderare") och en annan mottagare.

Enzymet (rekombinas) som utför invasion och utbyte av band i Escherichia coli det heter RecA. Det finns andra homologa proteiner i prokaryoter, såsom RadA i archaea. I eukaryoter kallas motsvarande ekvivalent RAD51.

När det invaderande gänget förskjuter hemvist, samverkar det med bandet som förblev enkelt i donormolekylen. Båda punkterna förseglas genom en ligas verkan.

Vi har nu DNA från hybridband (ett givarband och ett receptband av olika ursprung) flankerat av donator DNA och mottagar DNA. Korsningspunkterna (chiasmas) rör sig i båda riktningarna minst 200 bp.

Varje tvärbindningspunkt bildar det som är känt som Holliday-strukturen (korsformat DNA som härrör från en rekombinationshändelse).

Detta korsformiga DNA måste lösas av andra endonukleaser. Hybriden eller det chimära DNA i denna struktur kan lösas på två sätt. Om den andra endonukleotidsänkning sker i samma band där den första inträffade genereras inte rekombination. Om det andra snittet uppträder i det andra bandet, är de resulterande produkterna rekombinanta.

Rekombination V (D) J

Detta är en typ av somatisk rekombination (inte meiotisk) som bidrar till genereringen i immunsystemets enorma variabilitet.

Denna rekombination verifieras särskilt fragment av generna som kodar för polypeptidkedjorna som definierar dem. Det utförs av B-celler och involverar olika genetiska regioner.

Intressant, det finns parasiter som Trypanosoma brucei som använder en liknande rekombinationsmekanism för att skapa variabilitet i ett ytantigen. På så sätt kan de undvika värdens svar om det inte genererar antikroppen som kan känna igen det "nya" antigenet..

-Icke-homolog rekombination

Slutligen finns det rekombinationsprocesser som inte beror på sekvenslikheten hos de deltagande molekylerna. I eukaryoter är det mycket viktigt, exempelvis rekombinationen av icke-homologa ändar.

Detta sker med DNA-fragment som har dubbla bandbrott i DNA. Dessa repareras av cellen som förenar dem med andra fragment lika med dubbla bandbrott.

Dessa molekyler behöver emellertid inte nödvändigtvis likna att delta i denna rekombinationsprocess. Det vill säga genom att reparera skadan, kan cellen binda orelaterade DNA, vilket skapar en riktigt ny (rekombinant) molekyl. 

Betydelsen av rekombination

Betydelse som orsak: DNA-replikering och reparation

Rekombination garanterar pålitligheten av DNA-information under och efter replikationsprocessen. Rekombination upptäcker DNA-skada under processen att skapa nya band i denna extremt långa makromolekyl.

Eftersom varje band har sin egen information och dess komplement garanterar rekombination att ingen går förlorad. Var och en verkar som vittne för den andra. På liknande sätt, i diploida organismer, är en homolog kromosom vittne för sin bror och vice versa.

Å andra sidan, när DNA-skivan har replikerats, varieras mekanismerna för skador i denna molekyl. Vissa är direkta (verkar direkt på skadan) och andra är indirekta.

Indirekta reparationsmekanismer beror på rekombination som ska utföras. Det vill säga att reparera skadan i en DNA-molekyl används en annan homolog molekyl. Detta skulle fungera i den reparativa rekombinationen som en form som har lidit skada.

Betydelse som en konsekvens: genereringen av genetisk variabilitet

Rekombination kan skapa enorm kromosomal variabilitet under meios. Somatisk rekombination alstrar också variationer, som i fallet med antikroppar hos ryggradsdjur.

I många organismer är meiosi gamética. I organismer med sexuell reproduktion visar rekombination att vara ett av de mest kraftfulla sätten att generera variabilitet.

Det vill säga till den spontana mutationen och segregeringen av kromosomer är det nödvändigt att tillsätta rekombinationen som ett annat generatorelement av gametisk variabilitet.

Integrationen av bakteriofaggenomerna genom platsspecifik rekombination har å andra sidan bidragit till genomreformeringen av deras värdbakterier.

Detta har bidragit till genereringen av genomisk variabilitet och utveckling av denna viktiga grupp av levande varelser.

Rekombinationen och hälsan

Vi har redan sett att DNA kan repareras, men inte vad som skadar det. Faktum är att nästan allt kan skada DNA, som börjar med en defekt replikation som inte korrigeras.

Men bortom det kan DNA skadas av UV-ljus, joniserande strålning, fria syreradikaler produkt av cellulär andning, och vad vi äter, röker, andas, äter eller berör.

Lyckligtvis behöver du inte ge upp levande för att skydda DNA. Man måste avstå vissa saker, men det stora arbetet görs av cellen själv. Dessa mekanismer för detektering av skador på DNA, och dess reparation, har uppenbarligen en genetisk grund och dess brist, enorma konsekvenser.

Sjukdomar relaterade till defekter i homolog rekombination innefattar till exempel blom- och werner-syndromen, familjen cancer i bröstet och äggstockarna etc..

referenser

1. Alberts, B., Johnson, A.D., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of Cell (6th Edition). W. W. Norton & Company, New York, NY, USA.
2. Bell, J.C., Kowalczykowski, S.C. (2016) Mekanik och enkomolekylutfrågning av DNA-rekombination. Årlig granskning av biokemi, 85: 193-226.
3. Prado, F. () Homolog Recombination: To Fork and Beyond. Genes, doi: 10.3390 / genes9120603
4. Griffiths, A.J.F., Wessler, R., Carroll, S. B., Doebley, J. (2015). En introduktion till genetisk analys (11: e upplagan). New York: W.H. Freeman, New York, NY, USA.
5. Tock, A.J., Henderson, I.R. (2018) Hotspots för initiering av Meiotisk Rekombination. Gränser i genetik, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) En Profeter i Salmonella enterica: En drivkraft för omformning av deras bakteriella värds genom och fysiologi? Molekylär mikrobiologi, doi: 10,1111 / mmi.14167.
7. Wright, W. D., Shah, S., Heyer, W. D. (2018) Homolog rekombination och DNA-reparation av dubbelsträngsbrott. Journal of Biological Chemistry, 293: 10524-10535