Ομόλογες λειτουργίες ανασυνδυασμού, μηχανισμός και εφαρμογές

Το ομόλογο ανασυνδυασμό είναι μια διαδικασία που περιλαμβάνει την ανταλλαγή μορίων ϋΝΑ μεταξύ παρόμοιων ή πανομοιότυπων τμημάτων του γονιδιώματος. Τα κύτταρα χρησιμοποιούν ομόλογο ανασυνδυασμό κυρίως για την επιδιόρθωση θραυσμάτων στο γενετικό υλικό, δημιουργώντας γενετικές διακυμάνσεις στους πληθυσμούς.

Γενικά, ο ομόλογος ανασυνδυασμός περιλαμβάνει την σύζευξη μεταξύ ομόλογων περιοχών φυσικών γενετικό υλικό, που ακολουθείται από το σπάσιμο των αλυσίδων θα βιώσουν την ανταλλαγή, και, τέλος, η οποία συνδέει τις νέα μόρια DNA συνδυασμένα.

Τα διαλείμματα στο DNA πρέπει να επισκευάζονται όσο το δυνατόν πιο γρήγορα και αποτελεσματικά. Όταν οι ζημιές δεν επισκευαστούν, οι συνέπειες μπορεί να είναι σοβαρές και ακόμη και θανατηφόρες. Στα βακτήρια, η κύρια λειτουργία του ομόλογου ανασυνδυασμού είναι η αποκατάσταση αυτών των θραυσμάτων στο γενετικό υλικό.

Ο ομόλογος ανασυνδυασμός θεωρείται ένας από τους κύριους μηχανισμούς που επιτρέπουν τη σταθερότητα του γονιδιώματος. Είναι παρούσα σε όλους τους τομείς της ζωής και ακόμη και στους ιούς, έτσι είναι πιθανώς ένας ζωτικός μηχανισμός που εμφανίστηκε πολύ νωρίς στην εξέλιξη της ζωής.

Ευρετήριο

• 1 Ιστορική προοπτική
• 2 Τι είναι ο ομόλογος ανασυνδυασμός?
• 3 Λειτουργίες και συνέπειες ομόλογου ανασυνδυασμού
  • 3.1 Στα βακτήρια
• 4 Μηχανισμός
  • 4.1 Σύναψη
  • 4.2 Εκπαίδευση του βρόχου D
  • 4.3 Σχηματισμός των ενώσεων Holliday
  • 4.4 Πρωτεΐνες που εμπλέκονται
• 5 Ανωμαλίες που σχετίζονται με διεργασίες ανασυνδυασμού
• 6 Εφαρμογές ανασυνδυασμού
• 7 Άλλοι τύποι ανασυνδυασμού
• 8 Αναφορές

Ιστορική προοπτική

Μία από τις πιο σχετικές αρχές που προτείνει ο Gregor Mendel είναι η ανεξαρτησία στον διαχωρισμό των χαρακτήρων. Σύμφωνα με αυτό το νόμο, τα διαφορετικά γονίδια περνούν από τους γονείς στα παιδιά ανεξάρτητα.

Ωστόσο, το 1900 ήταν εμφανής η ύπαρξη πολύ έντονων εξαιρέσεων από την αρχή αυτή. Οι Αγγλοι γενετιστές Bateson και Punnett απέδειξαν ότι πολλές φορές κληρονομούνται ορισμένοι χαρακτήρες μαζί και για τα χαρακτηριστικά αυτά η αρχή που διατυπώνεται από τον Mendel δεν έχει καμία ισχύ.

Οι μεταγενέστερες έρευνες κατάφεραν να διασαφηνίσουν την ύπαρξη της διαδικασίας ανασυνδυασμού, όπου τα κύτταρα ήταν σε θέση να ανταλλάξουν το γενετικό υλικό. Στις περιπτώσεις όπου τα γονίδια κληρονόμησαν μαζί, το DNA δεν ανταλλάχθηκε λόγω της φυσικής εγγύτητας μεταξύ των γονιδίων.

Τι είναι ο ομόλογος ανασυνδυασμός?

Ο ομόλογος ανασυνδυασμός είναι ένα κυτταρικό φαινόμενο που περιλαμβάνει τη φυσική ανταλλαγή αλληλουχιών ϋΝΑ μεταξύ δύο χρωμοσωμάτων. Ο ανασυνδυασμός περιλαμβάνει ένα σύνολο γονιδίων που είναι γνωστά ως γονίδια rec. Αυτά κωδικοποιούν διαφορετικά ένζυμα που εμπλέκονται στη διαδικασία.

Τα μόρια ϋΝΑ θεωρούνται "ομόλογα" όταν μοιράζονται παρόμοιες ή ταυτόσημες αλληλουχίες άνω των 100 ζευγών βάσεων. Το DNA έχει μικρές περιοχές που μπορούν να διαφέρουν μεταξύ τους και αυτές οι παραλλαγές είναι γνωστές ως αλληλόμορφα.

Στα ζωντανά όντα, όλα τα DNA θεωρούνται ανασυνδυασμένο DNA. Η ανταλλαγή γενετικού υλικού μεταξύ των χρωμοσωμάτων συμβαίνει συνεχώς, αναμειγνύοντας και αναδιατάσσοντας τα γονίδια στα χρωμοσώματα.

Αυτή η διαδικασία εμφανίζεται προφανώς σε μείοσία. Συγκεκριμένα στη φάση όπου τα χρωμοσώματα συνδυάζονται στην πρώτη κυτταρική διαίρεση. Σε αυτό το στάδιο, συμβαίνει η ανταλλαγή γενετικού υλικού μεταξύ των χρωμοσωμάτων.

Ιστορικά, αυτή η διαδικασία προσδιορίζεται στη βιβλιογραφία χρησιμοποιώντας την αγγλοσαξονική λέξη διασχίζοντας. Αυτό το γεγονός είναι ένα από τα αποτελέσματα του ομόλογου ανασυνδυασμού.

Η συχνότητα του διασχίζοντας μεταξύ δύο γονιδίων του ίδιου χρωμοσώματος εξαρτάται κυρίως από την απόσταση μεταξύ των δύο? όσο μικρότερη είναι η φυσική απόσταση μεταξύ τους, τόσο μικρότερη είναι η συχνότητα ανταλλαγής.

Λειτουργίες και συνέπειες ομόλογου ανασυνδυασμού

Το γενετικό υλικό εκτίθεται συνεχώς σε βλάβες, που προκαλούνται από ενδογενείς και εξωγενείς πηγές, όπως για παράδειγμα η ακτινοβολία.

Υπολογίζεται ότι τα ανθρώπινα κύτταρα παρουσιάζουν σημαντικό αριθμό βλαβών στο DNA, της τάξης των δεκάδων έως εκατοντάδων ημερησίως. Αυτές οι βλάβες πρέπει να επιδιορθωθούν για να αποφευχθούν πιθανές βλαβερές μεταλλάξεις, μπλοκαρίσματα στην αντιγραφή και μεταγραφή και βλάβες σε χρωμοσωμικό επίπεδο.

Από ιατρική άποψη, η βλάβη του DNA που δεν έχει αποκατασταθεί σωστά έχει ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη όγκων και άλλων παθολογιών.

Ο ομόλογος ανασυνδυασμός είναι ένα γεγονός που επιτρέπει επιδιόρθωση στο DNA, επιτρέποντας την ανάκτηση των χαμένων αλληλουχιών, χρησιμοποιώντας σαν πρότυπο τον άλλο κλώνο DNA (ομόλογο).

Αυτή η διαδικασία του μεταβολισμού είναι παρούσα σε όλες τις μορφές ζωής, παρέχοντας ένα μηχανισμό για την επισκευή υψηλής πιστότητας «κενά» στο DNA θραύσεων διπλής έλικας και διασταυρούμενων δεσμών μεταξύ κλώνων DNA.

Μία από τις πιο σημαντικές συνέπειες του ανασυνδυασμού είναι η δημιουργία νέας γενετικής ποικιλίας. Μαζί με τις μεταλλάξεις, είναι οι δύο διαδικασίες που δημιουργούν παραλλαγές στα ζωντανά όντα - θυμηθείτε ότι η παραλλαγή είναι η πρώτη ύλη για την εξέλιξη.

Επιπλέον, παρέχει ένα μηχανισμό για την επανεκκίνηση των διχάλων αναπαραγωγής που έχουν υποστεί βλάβη.

Στα βακτήρια

Στα βακτήρια υπάρχουν συχνές περιπτώσεις οριζόντιας μεταφοράς γονιδίων. Αυτά ταξινομούνται ως σύζευξη, μετασχηματισμός και μεταγωγή. Εδώ, οι προκαρυώτες λαμβάνουν DNA από έναν άλλο οργανισμό, ακόμα και από διαφορετικά είδη.

Κατά τη διάρκεια αυτών των διαδικασιών, συμβαίνει ομόλογος ανασυνδυασμός μεταξύ του κυττάρου-δέκτη και του κυττάρου-δότη.

Μηχανισμός

Ο ομόλογος ανασυνδυασμός αρχίζει με το σπάσιμο σε ένα από τα κλώσματα του μορίου του χρωμοσωμικού ϋΝΑ. Μετά από αυτό, εμφανίζονται μια σειρά από στάδια που καταλύονται από πολλαπλά ένζυμα.

Το 3'-άκρο όπου λαμβάνει χώρα η κοπή εισβάλλεται από τον διπλό ομόλογο κλώνο DNA. Η διαδικασία εισβολής είναι κρίσιμη. Με «ομόλογο αλυσίδας» αναφερόμαστε σε τμήματα των χρωμοσωμάτων που έχουν τα ίδια γονίδια σε μια γραμμική διάταξη, αν και οι αλληλουχίες νουκλεοτιδίου δεν χρειάζεται να είναι ταυτόσημες.

Συνάψεις

Αυτή η εισβολή του κλώνου τοποθετεί τα ομόλογα χρωμοσώματα που αντικρύζουν ο ένας τον άλλο. Αυτό το φαινόμενο της συνάντησης κλώνου ονομάζεται συνάση (δεν πρέπει να συγχέεται με τις συνάψεις στους νευρώνες, εδώ ο όρος χρησιμοποιείται με άλλο νόημα).

Η σύναψη δεν συνεπάγεται απαραίτητα άμεση επαφή μεταξύ των δύο ομόλογων αλληλουχιών, το DNA μπορεί να συνεχίσει να κινείται για κάποιο χρονικό διάστημα μέχρι να βρει το ομόλογο τμήμα. Αυτή η διαδικασία αναζήτησης ονομάζεται ομόλογη ευθυγράμμιση.

Δημιουργία του βρόχου D

Στη συνέχεια, εμφανίζεται ένα συμβάν που ονομάζεται "εισβολή του νήματος". Ένα χρωμόσωμα είναι μια διπλή έλικα του DNA. Στον ομόλογο ανασυνδυασμό δύο χρωμοσώματα αναζητούν τις ομόλογες αλληλουχίες τους. Σε μία από τις έλικες, οι κλώνοι διαχωρίζονται και αυτό το σκέλος "εισβάλλει" τη δομή διπλής έλικας, σχηματίζοντας τη δομή που ονομάζεται βρόχος D.

Η αλυσίδα του βρόχου D έχει εκτοπιστεί από την εισβολή του κλώνου που παρουσιάζει τη ρήξη και τα ζεύγη με τον συμπληρωματικό κλώνο της αρχικής διπλής έλικας.

Δημιουργία συνδικάτων Holliday

Το επόμενο βήμα είναι ο σχηματισμός των κόμβων Holliday. Εδώ, συνδέονται τα άκρα των ανταλλασσόμενων νημάτων. Αυτή η ένωση έχει τη δυνατότητα να κινηθεί προς οποιαδήποτε κατεύθυνση. Η ένωση μπορεί να σπάσει και να σχηματιστεί σε πολλές περιπτώσεις.

Η τελική διαδικασία του ανασυνδυασμού είναι η επίλυση αυτών των διασταυρώσεων και υπάρχουν δύο τρόποι ή τρόποι με τους οποίους το κύτταρο το επιτυγχάνει. Ένα από αυτά είναι η διάσπαση της ένωσης ή μια διαδικασία που ονομάζεται διάλυση, χαρακτηριστική των ευκαρυωτικών οργανισμών.

Στον πρώτο μηχανισμό, το σπάσιμο της ένωσης του Holliday αναπαράγει δύο αλυσίδες. Στην άλλη περίπτωση της "διάλυσης" εμφανίζεται ένα είδος κατάρρευσης στην ένωση.

Σχετικές πρωτεΐνες

Μια κρίσιμη πρωτεΐνη της διαδικασίας ανασυνδυασμού ονομάζεται Rad51 σε ευκαρυωτικά κύτταρα, και η RecA στο Escherichia coli. Λειτουργεί στις διάφορες φάσεις του ανασυνδυασμού: πριν, κατά τη διάρκεια και μετά τη σύναψη.

Η πρωτεΐνη Rad51 διευκολύνει τον σχηματισμό της φυσικής σύνδεσης μεταξύ του εισβάλλοντος DNA και του μετριασμένου DNA. Σε αυτή τη διαδικασία δημιουργείται το ετερόδλεπτο ϋΝΑ.

Το Rad51 και το ομόλογο του RecA καταλύουν την αναζήτηση ομόλογου DNA και την ανταλλαγή κλώνων DNA. Αυτές οι πρωτεΐνες έχουν την ικανότητα να ενώνουν συνεργατικά ένα DNA μονής ζώνης.

Υπάρχουν επίσης παραλογικά γονίδια (που προέρχονται από γεγονότα γονιδιακής επανάληψης σε μια σειρά οργανισμών) του Rad51, που ονομάζεται Rad55 και Rad57. Στους ανθρώπους, εντοπίστηκαν πέντε γονίδια Paradalog Rad51 που ονομάζονται Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 και Xrcc3..

Ανωμαλίες που σχετίζονται με διεργασίες ανασυνδυασμού

Καθώς ο ανασυνδυασμός απαιτεί φυσική δέσμευση στα χρωμοσώματα, είναι ένα κρίσιμο βήμα στον σωστό διαχωρισμό κατά τη διάρκεια της μείωσης. Εάν δεν επιτευχθεί επαρκής ανασυνδυασμός, το αποτέλεσμα μπορεί να είναι μια σημαντική παθολογία.

Μη αποσύνδεση του χρωμοσώματος διαχωρισμού ή σφαλμάτων είναι μία από τις αιτίες των αποβολών και περισσότερων συχνοτήτων των χρωμοσωμικών ανωμαλιών προέλευσης, όπως τρισωμία 21, η οποία προκαλεί το σύνδρομο Down.

Αν και ο ανασυνδυασμός είναι συνήθως μια αρκετά ακριβής διαδικασία, οι περιοχές του γονιδιώματος που επαναλαμβάνονται και τα γονίδια που έχουν πολλαπλά αντίγραφα κατά μήκος του γονιδιώματος είναι στοιχεία επιρρεπή στα άνιση διασταύρωση.

Αυτή η διασταύρωση παράγει διαφορετικά κλινικά χαρακτηριστικά, συμπεριλαμβανομένων των συχνών ασθενειών όπως η θαλασσαιμία και ο αυτισμός..

Εφαρμογές ανασυνδυασμού

Οι μοριακοί βιολόγοι έχουν επωφεληθεί από τη γνώση του μηχανισμού ομόλογου ανασυνδυασμού για τη δημιουργία διαφορετικών τεχνολογιών. Ένα από αυτά επιτρέπει τη δημιουργία οργανισμών "knockout".

Αυτοί οι γενετικά τροποποιημένοι οργανισμοί επιτρέπουν να διευκρινιστεί η λειτουργία ενός γονιδίου ενδιαφέροντος.

Μία από τις μεθοδολογίες που χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία του knockouts συνίσταται στην καταστολή της έκφρασης του συγκεκριμένου γονιδίου που αντικαθιστά το αρχικό γονίδιο με μια τροποποιημένη ή "κατεστραμμένη" έκδοση. Το γονίδιο ανταλλάσσεται για την μεταλλαγμένη μορφή μέσω ομόλογου ανασυνδυασμού.

Άλλοι τύποι ανασυνδυασμού

Εκτός από τον ομόλογο ή νόμιμο ανασυνδυασμό, υπάρχουν και άλλοι τύποι ανταλλαγής γενετικού υλικού.

Όταν οι περιοχές του DNA που ανταλλάσσουν το υλικό είναι μη αλληλικές (των ομόλογων χρωμοσωμάτων) το αποτέλεσμα είναι η επανάληψη ή η μείωση των γονιδίων. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως μη ομόλογος ανασυνδυασμός ή άνισος ανασυνδυασμός.

Μαζί, το γενετικό υλικό μπορεί επίσης να ανταλλάσσεται μεταξύ αδελφών χρωματοειδών του ίδιου χρωμοσώματος. Αυτή η διαδικασία συμβαίνει τόσο στη μειοτική όσο και στη μιτωτική διαίρεση, και ονομάζεται άνιση ανταλλαγή.

Αναφορές

1. Baker, Τ. Α., Watson, J.D. & Bell, S.P. (2003). Μοριακή βιολογία του γονιδίου. Εκδόσεις Benjamin-Cummings.
2. Devlin, Τ. Μ. (2004). Βιοχημεία: βιβλίο με κλινικές εφαρμογές. Αντίστροφα.
3. Jasin, Μ., & Rothstein, R. (2013). Επισκευή θραύσεων κλώνων με ομόλογο ανασυνδυασμό. Cold Spring Harbor προοπτικές στη βιολογία, 5(11), a012740.
4. Li, Χ., & Heyer, W. D. (2008). Ομολογικός ανασυνδυασμός στην επιδιόρθωση του DNA και ανοχή στην καταστροφή του DNA. Κυτταρική έρευνα, 18(1), 99-113.
5. Murray, Ρ.Ρ., Rosenthal, Κ. S., & Pfaller, Μ.Α. (2017). Ιατρική μικροβιολογία. Elsevier Health Sciences.
6. Nussbaum, R.L., McInnes, R.R., & Willard, Η. F. (2015). Thompson & Thompson γενετική στην ιατρική e-book. Elsevier Health Sciences.
7. Virgili, R. Ο., & Taboada, J. Μ. V. (2006). Ανθρώπινο γονιδίωμα: νέες προόδους στην έρευνα, τη διάγνωση και τη θεραπεία. Edicions Universitat Barcelona.