Homologa rekombinationsfunktioner, mekanism och applikationer



den homolog rekombination Det är en process som innebär utbyte av DNA-molekyler mellan liknande eller identiska delar av genomet. Cellerna använder homolog rekombination huvudsakligen för reparation av raster i det genetiska materialet, vilket genererar genetisk variation i populationerna.

Allmänhet, involverar homolog rekombination parning mellan homologa fysiska genetiska materialområden, följt av att bryta kedjorna kommer att uppleva utbyte, och slutligen sammanfoga de nya DNA-molekyler i kombination.

Avbrott i DNA måste repareras så snabbt och effektivt som möjligt. När skadorna inte repareras kan konsekvenserna vara allvarliga och till och med dödliga. I bakterier är huvudfunktionen hos homolog rekombination att reparera dessa raster i det genetiska materialet.

Homolog rekombination anses vara en av huvudmekanismerna som tillåter genomets stabilitet. Det är närvarande på alla områden i livet och även i virus, så förmodligen är det en vital mekanism som uppstod väldigt tidigt i livets utveckling.

index

  • 1 Historiskt perspektiv
  • 2 Vad är homolog rekombination?
  • 3 Funktioner och konsekvenser av homolog rekombination
    • 3.1 I bakterier
  • 4 mekanism
    • 4.1 Synapser
    • 4.2 Utbildning av D-slingan
    • 4.3 Formation av Holliday fackföreningar
    • 4.4 Inblandade proteiner
  • 5 Abnormiteter associerade med rekombinationsprocesser
  • 6 Tillämpningar av rekombination
  • 7 Andra typer av rekombination
  • 8 referenser

Historiskt perspektiv

En av de mest relevanta principerna som Gregor Mendel föreslagit är självständighet i karaktärsuppdelning. Enligt denna lag övergår de olika generen från föräldrar till barn oberoende.

Emellertid var 1900 förekomsten av mycket märkta undantag från denna princip uppenbar. Brittiska genetiker Bateson och Punnett visade att vissa tecken ofta ärvs tillsammans och dessa egenskaper den princip som Mendel är inte giltigt.

Senare undersökningar lyckades belysa förekomsten av rekombinationsprocessen, där cellerna kunde utbyta det genetiska materialet. I de fall där generna ärvade tillsammans, utbytes inte DNA på grund av den fysiska närheten mellan generna.

Vad är homolog rekombination?

Homolog rekombination är ett cellulärt fenomen som involverar fysisk utbyte av DNA-sekvenser mellan två kromosomer. Rekombination innebär en uppsättning gener som är kända som gener rec. Dessa kodar för olika enzymer som är involverade i processen.

DNA-molekyler anses vara "homologa" när de delar liknande eller identiska sekvenser av mer än 100 baspar. DNA har små regioner som kan skilja sig från varandra, och dessa varianter är kända som alleler.

I levande varelser anses allt DNA som rekombinant DNA. Utbytet av genetiskt material mellan kromosomer sker kontinuerligt, blandning och omarrangering av generna i kromosomerna.

Denna process uppträder självklart i meios. Speciellt i den fas där kromosomerna är parade i den första celldelningen. Vid detta tillfälle sker utbytet av genetiskt material mellan kromosomer.

Historiskt är denna process betecknad i litteraturen med hjälp av det angelsaxiska ordet passerar över. Denna händelse är ett av resultaten av homolog rekombination.

Frekvensen av passerar över mellan två gener av samma kromosom beror huvudsakligen på avståndet mellan de två; desto mindre är det fysiska avståndet mellan dem, desto lägre är växlingsfrekvensen.

Funktioner och konsekvenser av homolog rekombination

Det genetiska materialet exponeras ständigt för skador som orsakas av endogena och exogena källor, såsom strålning, till exempel.

Det uppskattas att mänskliga celler presenterar ett signifikant antal lesioner i DNA, i storleksordningen tiotals till hundra per dag. Dessa lesioner måste repareras för att undvika potentiella skadliga mutationer, blockeringar i replikation och transkription och skada på kromosomal nivå.

Ur medicinskt synvinkel leder DNA-skador som inte repareras korrekt till utvecklingen av tumörer och andra patologier.

Homolog rekombination är en händelse som möjliggör reparation i DNA, vilket möjliggör återhämtning av förlorade sekvenser, genom att använda som en mall den andra DNA-strängen (homolog).

Denna metaboliska process är närvarande i alla former av liv, vilket ger en mekanism för reparation av high fidelity "luckor" i DNA-dubbelsträngsbrott och tvärbindningar mellan DNA-strängar.

En av de mest relevanta konsekvenserna av rekombination är genereringen av ny genetisk variation. Tillsammans med mutationer är de de två processerna som genererar variation i levande varelser - kom ihåg att variation är råmaterialet för evolutionen.

Dessutom ger det en mekanism för att starta om replikeringsgafflar som har skadats.

I bakterier

I bakterier finns det frekventa händelser med horisontell genöverföring. Dessa klassificeras som konjugation, transformation och transduktion. Här tar prokaryoter DNA från en annan organism, och även från olika arter.

Under dessa processer sker homolog rekombination mellan recipientcellen och donatorcellen.

mekanism

Den homologa rekombinationen börjar med brytningen i en av strängarna i den kromosomala DNA-molekylen. Därefter förekommer en rad steg katalyserade av flera enzymer.

3'-änden där skärningen uppträder invaderas av den dubbla homologa DNA-strängen. Invasionen är avgörande. Med "homolog kedja" hänvisar vi till delar av kromosomer som har samma gener i ett linjärt arrangemang, även om nukleotidsekvenserna behöver inte vara identiska.

synaps

Denna invasion av strängen ställer de homologa kromosomerna mot varandra. Detta fenomen av strängmötet kallas synapsis (inte att förväxlas med synapser i neuroner, här används termen med en annan betydelse).

Synapsen innebär inte nödvändigtvis en direkt kontakt mellan båda homologa sekvenserna, DNA kan fortsätta att röra sig för en tid tills den finner den homologa delen. Denna sökprocess kallas homolog inriktning.

Bildandet av D-slingan

Då inträffar en händelse som kallas "invasion av tråden". En kromosom är en dubbel helix av DNA. I homolog rekombination söker två kromosomer efter deras homologa sekvenser. I en av spiralerna separerar strängarna och denna sträng "invaderar" den dubbla spiralstrukturen, som bildar strukturen kallad loop D.

Kedjan av D-slingan har förskjutits av invasionen av strängen som presenterar brottet och parar med komplementärsträngen i den ursprungliga dubbla spiralen.

Bildandet av Holliday-förbunden

Nästa steg är bildandet av Holliday-kryssningarna. Här är de ändrade trådarnas ändar kopplade. Denna union har förmågan att röra sig i någon riktning. Facket kan brytas och formas vid flera tillfällen.

Den slutliga processen med rekombination är upplösningen av dessa korsningar och det finns två sätt eller sätt på vilka cellen uppnår det. En av dem är klyvning av facket eller en process som kallas upplösning, som är typisk för eukaryotiska organismer.

I den första mekanismen regenererar brytningen av facket av Holliday två kedjor. I det andra fallet av "upplösning" uppstår en slags sammanbrott i facket.

Proteiner involverade

Ett viktigt protein i rekombinationsprocessen kallas Rad51 i eukaryota celler och RecA in Escherichia coli. Det fungerar i olika faser av rekombination: före, under och efter synaps.

Rad51-proteinet underlättar bildandet av den fysiska kopplingen mellan invaderande DNA och härdat DNA. I denna process genereras heteroduplex-DNA.

Rad51 och dess homolog RecA, katalyserar sökningen efter homologt DNA och utbytet av DNA-strängar. Dessa proteiner har förmågan att samverka med ett enda band DNA.

Det finns också paralogiska gener (härstammar från händelser av gendubbling i en organismsammansättning) av Rad51, som heter Rad55 och Rad57. Hos människor har fem Rad51-paraloggener som heter Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 och Xrcc3 identifierats..

Abnormiteter associerade med rekombinationsprocesser

Eftersom rekombination kräver fysisk bindning i kromosomer är det ett viktigt steg i korrekt segregering under meios. Om adekvat rekombination inte uppstår kan resultatet vara en signifikant patologi.

Nondisjunction vid kromosomsegregation eller fel är en av orsakerna till aborter och fler frekvenser av kromosomavvikelser ursprung, såsom trisomi 21, vilket orsakar Downs syndrom.

Även om rekombination är vanligtvis en ganska exakt process, är regionerna av genomet som upprepas och generna som har flera kopior längs genomet element som är benägna att ojämn korsning.

Denna interbreeding ger olika kliniska egenskaper, inklusive frekventa sjukdomar som thalassemi och autism..

Tillämpningar av rekombination

Molekylära biologer har utnyttjat kunskapen om mekanismen för homolog rekombination för skapandet av olika teknologier. En av dessa tillåter skapandet av organismer "knockout".

Dessa genetiskt modifierade organismer gör det möjligt att belysa funktionen av en gen av intresse.

Ett av de metoder som används för att skapa knockouts det består av undertryckandet av uttrycket för den specifika genen som ersätter den ursprungliga genen med en modifierad eller "skadad" version. Genen byts ut för den muterade versionen med hjälp av homolog rekombination.

Andra typer av rekombination

Förutom homolog eller legitim rekombination finns det andra typer av utbyte av genetiskt material.

När DNA-regioner som utbyter material är icke-alleliska (homolog kromosom) resultatet är dubbelarbete eller reduktions gener. Denna process är känd som icke-homolog rekombination eller ojämn rekombination.

Tillsammans, kan det genetiska materialet också utbytas mellan systerkromatider av en kromosom. Denna process förekommer i både den meotiska och mitotiska divisionen, och kallas ojämlik utbyte.

referenser

  1. Baker, T. A., Watson, J. D., & Bell, S. P. (2003). Molekylärbiologi hos genen. Benjamin-Cummings Publishing Company.
  2. Devlin, T. M. (2004). Biokemi: lärobok med kliniska tillämpningar. Jag vände om.
  3. Jasin, M., & Rothstein, R. (2013). Reparation av strängbrytningar genom homolog rekombination. Cold Spring Harbor perspektiv inom biologi, 5(11), a012740.
  4. Li, X., & Heyer, W. D. (2008). Homolog rekombination i DNA-reparation och DNA-skada tolerans. Cellforskning, 18(1), 99-113.
  5. Murray, P.R., Rosenthal, K.S., & Pfaller, M.A. (2017). Medicinsk mikrobiologi. Elsevier Health Sciences.
  6. Nussbaum, R.L., McInnes, R.R., & Willard, H. F. (2015). Thompson & Thompson genetik i medicinsk e-bok. Elsevier Health Sciences.
  7. Virgili, R. O. & Taboada, J. M. V. (2006). Mänskligt genom: Nya framsteg inom forskning, diagnos och behandling. Edicions Universitat Barcelona.