Τύποι και μηχανισμοί γενετικού ανασυνδυασμού

Το γενετικό ανασυνδυασμό είναι η διαδικασία με την οποία μόρια νουκλεϊκού οξέος ανταλλάσσουν θραύσματα που δημιουργούν ένα νέο μόριο. Είναι πολύ κοινό στο DNA, αλλά το RNA είναι επίσης ένα υπόστρωμα για ανασυνδυασμό. Η ανασύνθεση είναι, μετά από μετάλλαξη, η σημαντικότερη πηγή γενετικής μεταβλητότητας.

Το DNA συμμετέχει σε διαφορετικές βιοχημικές διεργασίες. Κατά τη διάρκεια της αντιγραφής, χρησιμεύει ως πρότυπο για τη δημιουργία δύο νέων μορίων ϋΝΑ. Στη μεταγραφή, επιτρέπει τη δημιουργία μορίων RNA από συγκεκριμένες περιοχές που ελέγχονται από έναν υποκινητή.

Αλλά εκτός από αυτό, το DNA είναι επίσης ικανό να ανταλλάσσει θραύσματα. Μέσω αυτής της διαδικασίας δημιουργούνται νέοι συνδυασμοί που δεν είναι προϊόν των δύο προηγούμενων διεργασιών, ούτε γονιμοποίησης.

Οποιαδήποτε διαδικασία ανασυνδυασμού περιλαμβάνει θραύση και δέσμευση των μορίων ϋΝΑ που εμπλέκονται στη διαδικασία. Αυτός ο μηχανισμός ποικίλλει ανάλογα με το υπόστρωμα ανασυνδυασμού, τα ένζυμα που εμπλέκονται στη διαδικασία και τον μηχανισμό εκτέλεσης του.

Ο ανασυνδυασμός γενικά εξαρτάται από την ύπαρξη συμπληρωματικών περιοχών, παρόμοιων (αν όχι όμοιων) ή ομόλογων μεταξύ των ανασυνδυασμένων μορίων. Στην περίπτωση που ανασυνδυάζουν μόρια σε διαδικασίες που δεν καθοδηγούνται από ομολογία, λέγεται ότι ο ανασυνδυασμός δεν είναι ομόλογος.

Εάν η ομολογία περιλαμβάνει μια πολύ μικρή περιοχή παρούσα και στα δύο μόρια, λέγεται ότι ο ανασυνδυασμός είναι ειδικός για τη θέση.

Ευρετήριο

• 1 Ορισμός
  • 1.1 Chiasm και σταυροσύνδεση
• 2 Τύποι γενετικού ανασυνδυασμού
  • 2.1 Ανασυνδυασμός ειδικός για την τοποθεσία
  • 2.2-Ομόλογος ανασυνδυασμός
  • 2.3 - Μη ομόλογος ανασυνδυασμός
• 3 Σημασία του ανασυνδυασμού
  • 3.1 Σημασία ως αιτία: αναπαραγωγή και επισκευή του DNA
  • 3.2 Σημασία ως συνέπεια: η δημιουργία γενετικής μεταβλητότητας
  • 3.3 Ανακατασκευή και υγεία
• 4 Αναφορές

Ορισμός

Αυτό που ονομάζουμε ομολογία στον ανασυνδυασμό δεν αναφέρει απαραίτητα την εξελικτική προέλευση των μορίων που συμμετέχουν. Μιλάμε περισσότερο για το βαθμό ομοιότητας στην αλληλουχία νουκλεοτιδίων.

Ο μη αποκαταστατικός ανασυνδυασμός, για παράδειγμα, συμβαίνει σε ευκαρυώτες κατά τη διαδικασία της μείωσης. Αναμφισβήτητα, δεν μπορεί να υπάρξει μεγαλύτερη ομολογία παρά μεταξύ ζευγών χρωμοσωμάτων στο ίδιο κύτταρο.

Γι 'αυτό ονομάζονται ομόλογα χρωμοσώματα. Ωστόσο, υπάρχουν περιπτώσεις στις οποίες το DNA ενός κυττάρου ανταλλάσσει υλικό με ένα ξένο DNA. Αυτά τα DNAs πρέπει να είναι πολύ παρόμοια με τον ανασυνδυασμό, αλλά δεν πρέπει απαραιτήτως να μοιράζονται τον ίδιο πρόγονο (ομολογία) για να το επιτύχουν.

Chiasm και διασταύρωση

Η θέση της ένωσης και η ανταλλαγή μεταξύ δύο μορίων ϋΝΑ ονομάζεται chiasm, και η διαδικασία αυτή καθαυτή, διασύνδεση. Κατά τη διάρκεια της διασταύρωσης, επαληθεύεται η ανταλλαγή ζωνών μεταξύ των συμμετεχόντων DNA.

Αυτό δημιουργεί ένα cointegrate, τα οποία είναι δύο μόρια DNA φυσικά ενωμένα σε ένα. Όταν το cointegrate "λυθεί" παράγονται δύο μόρια, γενικά αλλαγμένα (ανασυνδυασμένα).

Η "επίλυση", στο πλαίσιο του ανασυνδυασμού, είναι να διαχωριστούν τα συστατικά των μορίων ϋΝΑ ενός συνεντεύγματος.

Τύποι γενετικού ανασυνδυασμού

-Ανασυνδυασμός ειδικός για την τοποθεσία

Σε τοποειδικό ανασυνδυασμό, δύο μόρια DNA, γενικά μη ομόλογα, έχουν μια σύντομη ακολουθία κοινή και στις δύο. Αυτή η αλληλουχία στοχεύεται από ένα συγκεκριμένο ένζυμο ματίσματος.

Το ένζυμο, ικανό να αναγνωρίσει αυτή την αλληλουχία και όχι άλλο, το κόβει σε μια συγκεκριμένη θέση και στα δύο μόρια. Με τη βοήθεια κάποιων άλλων παραγόντων, ανταλλάσσει τις ζώνες ϋΝΑ των δύο συμμετεχόντων μορίων και σχηματίζει συνέντευξη.

Escherichia coli και λάμδα

Αυτή είναι η βάση του σχηματισμού του cointegrate μεταξύ του γονιδιώματος του βακτηριδίου Escherichia coli και εκείνη του βακτηριοφάγου λάμδα. Ένας βακτηριοφάγος είναι ένας ιός που μολύνει βακτήρια.

Ο σχηματισμός αυτού του cointegrate διεξάγεται από ένα ένζυμο που κωδικοποιείται στο γονιδίωμα του ιού: το integraza λάμδα. Αυτό αναγνωρίζει μια κοινή ακολουθία που ονομάζεται attP στο κυκλικό γονιδίωμα του ιού και attB στο βακτήριο.

Με την κοπή και των δύο αλληλουχιών και στα δύο μόρια, δημιουργεί ελεύθερα τμήματα, ανταλλάσσει τις ζώνες και ενώνει τα δύο γονιδιώματα. Δημιουργείται ένας μεγαλύτερος κύκλος ή συγχωνεύεται.

Στην συνένωση, το γονιδίωμα του ιού μεταφέρεται παθητικά από το βακτηριακό γονιδίωμα, με το οποίο αντιγράφεται. Σε αυτή την κατάσταση λέγεται ότι ο ιός είναι σε κατάσταση προϊού, και ότι το βακτήριο είναι λυσογόνο για το ίδιο.

Η αντίστροφη διαδικασία, δηλαδή η συνολική ανάλυση, μπορεί να πάρει πολλές γενιές - ή ακόμα και να μην συμβεί. Εντούτοις, εάν γίνει, προκαλείται ενζυματικά από άλλη πρωτεΐνη που κωδικοποιείται από το γονιδίωμα του ιού που ονομάζεται excisionasa. Όταν συμβεί αυτό, ο ιός διαχωρίζεται από το συνένζυμο, ενεργοποιεί και προκαλεί τη λύση των κυττάρων.

-Ομολογικός ανασυνδυασμός

Γενικευμένος ανασυνδυασμός

Ο ομόλογος ανασυνδυασμός επαληθεύεται μεταξύ μορίων ϋΝΑ που έχουν τουλάχιστον 40 νουκλεοτίδια πλήρους ή σχεδόν ολικής ομοιότητας. Προκειμένου να διεξαχθεί η διαδικασία ανασυνδυασμού, πρέπει να συμμετέχει τουλάχιστον μία ενδονουκλεάση.

Οι ενδονουκλεάσες είναι ένζυμα που παράγουν εσωτερικές τομές στο DNA. Μερικοί το κάνουν για να προχωρήσουν στην υποβάθμιση του DNA. Άλλοι, όπως στην περίπτωση του ανασυνδυασμού, το κάνουν για να δημιουργήσουν μια ρήξη στο DNA.

Αυτό το μοναδικό ψευδώνυμο σας επιτρέπει να επεξεργαστείτε μια ενιαία ζώνη DNA με ένα ελεύθερο τέλος. Αυτό το ελεύθερο άκρο, καθοδηγούμενο από μια ανασυνδυάση, επιτρέπει σε μία μονή ζώνη να εισβάλλει σε ένα διπλό ϋΝΑ μετατοπίζοντας τη ζώνη που είναι πανομοιότυπη με αυτήν.

Αυτό είναι το σημείο της διέλευσης, μεταξύ ενός μορίου ϋΝΑ δότη ("εισβολέας") και ενός άλλου παραλήπτη.

Το ένζυμο (ανασυνδυάση) που διεξάγει τη διαδικασία της εισβολής και της ανταλλαγής των ζωνών Escherichia coli ονομάζεται RecA. Υπάρχουν και άλλες ομόλογες πρωτεΐνες σε προκαρυώτες, όπως το RadA στην αρχαία. Σε ευκαρυωτικά, το ισοδύναμο ένζυμο καλείται RAD51.

Μόλις η εισβολική συμμορία μετατοπίσει τον κάτοικο, αλληλεπιδρά με τη ζώνη που παρέμεινε απλή στο μόριο του δότη. Και τα δύο σημεία σφραγίζονται με τη δράση μιας λιγάσης.

Τώρα έχουμε DNA από υβριδικές ζώνες (ζώνη δότη και ζώνη υποδοχέα, διαφορετικής προέλευσης) που πλαισιώνεται από DNA δότη και ϋΝΑ αποδέκτη. Τα σημεία διέλευσης (chiasmas) κινούνται προς τις δύο κατευθύνσεις τουλάχιστον 200 bp.

Κάθε σημείο διασύνδεσης σχηματίζει αυτό που είναι γνωστό ως δομή Holliday (σταυροειδές DNA που προκύπτει από συμβάν ανασυνδυασμού).

Αυτό το σταυροειδές DNA πρέπει να διαχωριστεί από άλλες ενδονουκλεάσες. Το υβριδικό ή χιμαιρικό DNA αυτής της δομής μπορεί να λυθεί με δύο τρόπους. Εάν η δεύτερη αποκοπή ενδονουκλεοτιδίου συμβαίνει στην ίδια ζώνη στην οποία συνέβη το πρώτο, δεν δημιουργείται ανασυνδυασμός. Εάν η δεύτερη αποκοπή εμφανιστεί στην άλλη ζώνη, τα προκύπτοντα προϊόντα είναι ανασυνδυασμένα.

Ανασυνδυασμός V (D) J

Αυτός είναι ένας τύπος σωματικού ανασυνδυασμού (όχι μειοϊκού) που συμβάλλει στη δημιουργία στην τεράστια ποικιλία των αντισωμάτων του ανοσοποιητικού συστήματος.

Αυτός ο ανασυνδυασμός επαληθεύεται σε συγκεκριμένα θραύσματα των γονιδίων που κωδικοποιούν τις πολυπεπτιδικές αλυσίδες που τις ορίζουν. Διεξάγεται από τα Β κύτταρα και περιλαμβάνει διαφορετικές γενετικές περιοχές.

Είναι ενδιαφέρον ότι υπάρχουν παράσιτα όπως Trypanosoma brucei που χρησιμοποιούν έναν παρόμοιο μηχανισμό ανασυνδυασμού για τη δημιουργία μεταβλητότητας σε ένα επιφανειακό αντιγόνο. Με αυτό τον τρόπο, μπορούν να αποφύγουν την απόκριση του ξενιστή αν αποτύχει να παράγει το αντίσωμα ικανό να αναγνωρίσει το "νέο" αντιγόνο..

-Μη ομόλογος ανασυνδυασμός

Τέλος, υπάρχουν μέθοδοι ανασυνδυασμού που δεν εξαρτώνται από την ομοιότητα αλληλουχίας των συμμετεχόντων μορίων. Στα ευκαρυωτικά είναι πολύ σημαντικό, για παράδειγμα, ο ανασυνδυασμός μη ομόλογων άκρων.

Αυτό συμβαίνει με θραύσματα ϋΝΑ που έχουν διαλείμματα διπλής ζώνης στο DNA. Αυτά "επισκευάζονται" από το κύτταρο που τα συνδέει με άλλα θραύσματα εξίσου με ρήξεις διπλής ζώνης.

Ωστόσο, αυτά τα μόρια δεν πρέπει απαραιτήτως να είναι παρόμοια ώστε να συμμετέχουν σε αυτή τη διαδικασία ανασυνδυασμού. Δηλαδή, με την αποκατάσταση της βλάβης, το κύτταρο μπορεί να δεσμεύσει μη σχετιζόμενα DNAs, δημιουργώντας ένα πραγματικά νέο (ανασυνδυασμένο) μόριο. 

Σημασία του ανασυνδυασμού

Σημασία ως αιτία: αναπαραγωγή και επισκευή DNA

Ο ανασυνδυασμός εγγυάται την πιστότητα των πληροφοριών του DNA κατά τη διάρκεια και μετά τη διαδικασία αντιγραφής. Ο ανασυνδυασμός ανιχνεύει βλάβη του DNA κατά τη διαδικασία δημιουργίας νέων ζωνών σε αυτό το εξαιρετικά μακρύ μακρομόριο.

Καθώς κάθε ζώνη έχει τις δικές της πληροφορίες, και εκείνη του συμπληρώματός της, ο ανασυνδυασμός εγγυάται ότι κανένας δεν έχει χαθεί. Ο καθένας λειτουργεί ως μάρτυρας του άλλου. Ομοίως, σε διπλοειδείς οργανισμούς, ένα ομόλογο χρωμόσωμα είναι μάρτυρας του αδελφού του, και αντιστρόφως.

Από την άλλη πλευρά, μόλις το DNA έχει ανατυπωθεί, οι μηχανισμοί αποκατάστασης βλαβών αυτού του μορίου ποικίλλουν. Ορισμένοι είναι άμεσοι (ενεργούν άμεσα στον τραυματισμό) και άλλοι είναι έμμεσοι.

Οι μηχανισμοί έμμεσης επισκευής εξαρτώνται από την πραγματοποίηση του ανασυνδυασμού. Δηλαδή, για την αποκατάσταση της ζημίας σε ένα μόριο ϋΝΑ χρησιμοποιείται ένα άλλο ομόλογο μόριο. Αυτό θα ενεργούσε στον ανασυνδυασμένο ανασυνδυασμό ως μούχλα που υπέστη ζημιά.

Σημασία ως συνέπεια: η δημιουργία γενετικής μεταβλητότητας

Η ανασύνδεση είναι ικανή να δημιουργήσει τεράστια χρωμοσωμική μεταβλητότητα κατά τη διάρκεια της μείωσης. Ο σωματικός ανασυνδυασμός παράγει επίσης μεταβλητότητα, όπως στην περίπτωση αντισωμάτων σε σπονδυλωτά.

Σε πολλούς οργανισμούς η μεΐωση είναι gamietica. Σε οργανισμούς με σεξουαλική αναπαραγωγή, ο ανασυνδυασμός αποδεικνύεται ένας από τους ισχυρότερους τρόπους δημιουργίας μεταβλητότητας.

Δηλαδή, στην αυθόρμητη μετάλλαξη και τον διαχωρισμό των χρωμοσωμάτων είναι απαραίτητο να προστεθεί ο ανασυνδυασμός ως ένα άλλο γενετικό στοιχείο της διακυμάνσεως των παιχνιδιών.

Η ενσωμάτωση γονιδιωμάτων βακτηριοφάγου με ανασυνδυασμό ειδικής θέσης, από την άλλη πλευρά, συνέβαλε στην αναδιαμόρφωση του γονιδιώματος των ξενιστών βακτηριδίων.

Αυτό έχει συμβάλει στη δημιουργία γενετικής ποικιλότητας και εξέλιξης αυτής της σημαντικής ομάδας ζωντανών όντων.

Ο ανασυνδυασμός και η υγεία

Έχουμε ήδη δει ότι το DNA μπορεί να επισκευαστεί, αλλά όχι αυτό που το βλάπτει. Στην πραγματικότητα, σχεδόν όλα μπορούν να βλάψουν το DNA, ξεκινώντας με μια ελαττωματική αναπαραγωγή που δεν διορθώνεται.

Αλλά πέρα ​​από αυτό, το DNA μπορεί να υποστεί βλάβη από το υπεριώδες φως, την ιοντίζουσα ακτινοβολία, το ελεύθερο ριζικό οξυγόνο προϊόν της κυτταρικής αναπνοής και αυτό που τρώμε, καπνίζουμε, αναπνέουμε, τρώμε ή αγγίζουμε.

Ευτυχώς, δεν χρειάζεται να εγκαταλείψετε τη ζωή για να προστατέψετε το DNA. Κάποιος πρέπει να αποκηρύξει ορισμένα πράγματα, αλλά το μεγάλο έργο γίνεται από το ίδιο το κελί. Αυτοί οι μηχανισμοί ανίχνευσης βλάβης στο DNA και η επισκευή του έχουν προφανώς γενετική βάση και η ανεπάρκεια τους, τεράστιες συνέπειες.

Οι ασθένειες που σχετίζονται με ελαττώματα στον ομόλογο ανασυνδυασμό περιλαμβάνουν, για παράδειγμα, τα σύνδρομα Bloom και Werner, τον οικογενειακό καρκίνο του μαστού και των ωοθηκών κλπ..

Αναφορές

1. Alberts, Β, Johnson, Α D., Lewis, J., Morgan, D., Raff, Μ, Roberts, Κ, Walter, Ρ (2014) Molecular Biology of the Cell (6η έκδοση). W. W. Norton & Company, Νέα Υόρκη, Νέα Υόρκη, ΗΠΑ.
2. Bell, J.C., Kowalczykowski, S.C. (2016) Μηχανική και ανάκτηση μονού μορίου ανασυνδυασμού ϋΝΑ. Annual Review of Biochemistry, 85: 193-226.
3. Prado, F. () Homologous Recombination: To Fork and Beyond. Genes, doi: 10.3390 / γονίδια 9120603
4. Griffiths, A.J.F., Wessler, R., Carroll, S.B., Doebley, J. (2015). Εισαγωγή στη γενετική ανάλυση (11η έκδοση). Νέα Υόρκη: W. Η. Freeman, Νέα Υόρκη, Νέα Υόρκη, ΗΠΑ.
5. Tock, Α. J., Henderson, Ι.Κ. (2018) Hotspots for Initiation of Meiotic Recombination. Frontiers in Genetics, δύο: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Wahl, Α., Battesti, Α., Ansaldi, Μ. (2018) Α Prophages στο Salmonella enterica: μια κινητήρια δύναμη στην αναμόρφωση του γονιδιώματος και της φυσιολογίας του βακτηριακού ξενιστή τους; Μοριακή Μικροβιολογία, δύο: 10.1111 / mmi.14167.
7. Wright, W. D., Shah, S., Heyer, W. D. (2018) Ομόλογοι ανασυνδυασμοί και διόρθωση διπλού σκέλους DNA. Journal of Biological Chemistry, 293: 10524-10535