HOMOLÓGNA REKOMBINÁCIA: FUNKCIE, MECHANIZMUS A APLIKÁCIE - BIOLÓGIE - 2025

Homologické rekombinácie je proces, ktorý zahŕňa výmenu molekúl DNA medzi podobných alebo rovnakých úsekov genómu. Bunky používajú homológnu rekombináciu hlavne na opravu zlomov v genetickom materiáli, čím sa generujú genetické rozdiely v populáciách.

Homologická rekombinácia vo všeobecnosti zahrnuje fyzické párovanie medzi homológnymi oblasťami genetického materiálu, potom rozpad reťazcov, ktoré sa majú podrobiť výmene, a nakoniec spojenie nových kombinovaných molekúl DNA.

Rekombinácia medzi dvoma homológnymi chromozómami.
Zdroj: Emw

Porušenie DNA sa musí čo najrýchlejšie a najúčinnejšie opraviť. Ak sa poškodenie neodstráni, následky môžu byť vážne a dokonca smrteľné. U baktérií je hlavnou funkciou homológnej rekombinácie oprava týchto zlomov v genetickom materiáli.

Homológna rekombinácia sa považuje za jeden z hlavných mechanizmov, ktoré umožňujú stabilitu genómu. Je prítomný vo všetkých oblastiach života a dokonca aj vo vírusoch, takže je pravdepodobne životne dôležitým mechanizmom, ktorý sa objavil veľmi skoro vo vývoji života.

Historická perspektíva

Jedným z najdôležitejších princípov, ktorý navrhol Gregor Mendel, je nezávislosť pri segregácii postáv. Podľa tohto zákona sa rôzne gény prenášajú z rodiča na dieťa nezávisle.

V roku 1900 však bola zjavná existencia veľmi výrazných výnimiek z tejto zásady. Anglickí genetici Bateson a Punnett ukázali, že mnohokrát sú niektoré vlastnosti zdedené spolu, a pre tieto vlastnosti nie je platný princíp stanovený Mendelom.

Následný výskum dokázal objasniť existenciu procesu rekombinácie, kde bunky boli schopné vymieňať genetický materiál. V prípadoch, keď gény zdedili spolu, sa DNA nevymenila kvôli fyzickej blízkosti medzi génmi.

Čo je to homológna rekombinácia?

Homológna rekombinácia je bunkový jav, ktorý zahŕňa fyzickú výmenu DNA sekvencií medzi dvoma chromozómami. Rekombinácia zahŕňa súbor génov známych ako rec gény. Tieto kódujú rôzne enzýmy, ktoré sa zúčastňujú na procese.

Molekuly DNA sa považujú za „homológne“, ak zdieľajú podobné alebo identické sekvencie viac ako 100 párov báz. DNA má malé oblasti, ktoré sa môžu od seba líšiť, a tieto varianty sú známe ako alely.

V živých veciach sa všetka DNA považuje za rekombinantnú DNA. Výmena genetického materiálu medzi chromozómami prebieha nepretržite, miešaním a preskupovaním génov na chromozómoch.

Tento proces sa evidentne vyskytuje pri meióze. Konkrétne vo fáze, v ktorej sa chromozómy párujú v prvom delení buniek. V tejto fáze dochádza k výmene genetického materiálu medzi chromozómami.

Historicky je tento proces v literatúre označovaný pomocou anglosaského prechodu slov. Táto udalosť je jedným z výsledkov homológnej rekombinácie.

Frekvencia kríženia medzi dvoma génmi toho istého chromozómu závisí hlavne od vzdialenosti, ktorá existuje medzi nimi; čím menšia je fyzická vzdialenosť medzi nimi, tým nižšia je frekvencia výmeny.

Funkcie a dôsledky homológnej rekombinácie

Genetický materiál je neustále vystavený poškodeniu spôsobenému endogénnymi a exogénnymi zdrojmi, napríklad žiarením.

Odhaduje sa, že ľudské bunky majú významný počet lézií DNA, rádovo desiatky až stovky denne. Tieto lézie je potrebné opraviť, aby sa zabránilo potenciálnym škodlivým mutáciám, replikačným a transkripčným blokom a poškodeniu na chromozomálnej úrovni.

Z lekárskeho hľadiska má poškodenie DNA, ktoré nie je správne napravené, za následok vznik nádorov a iných patológií.

Homológna rekombinácia je udalosť, ktorá umožňuje opravu DNA a umožňuje obnovenie stratených sekvencií, pričom sa ako templát použije ďalší (homológny) reťazec DNA.

Tento metabolický proces je prítomný vo všetkých formách života a poskytuje mechanizmus s vysokou vernosťou, ktorý umožňuje opravu „medzier“ v DNA, dvojvláknové prerušenia a krížové väzby medzi vláknami DNA.

Jedným z najdôležitejších dôsledkov rekombinácie je vytvorenie novej genetickej variácie. Spolu s mutáciami sú to dva procesy, ktoré vytvárajú variácie živých bytostí - nezabudnite, že variácia je surovinou pre vývoj.

Okrem toho poskytuje mechanizmus na resetovanie poškodených replikačných vidlíc.

V baktériách

U baktérií sa vyskytujú časté udalosti horizontálneho prenosu génov. Sú klasifikované ako konjugácia, transformácia a transdukcia. Prokaryoty tu berú DNA z iného organizmu a dokonca z rôznych druhov.

Počas týchto procesov dochádza k homológnej rekombinácii medzi recipientnou bunkou a darcovskou bunkou.

Mechanizmus

Homológna rekombinácia začína prerušením jedného z vlákien chromozomálnej DNA molekuly. Potom nasleduje rad krokov katalyzovaných viacerými enzýmami.

Koniec 3 ', kde dôjde k rezu, je napadnutý homológnym dvojreťazcom DNA. Invazný proces je rozhodujúci. Pod pojmom "homológny reťazec" sa rozumejú časti chromozómov, ktoré majú rovnaké gény v lineárnom poradí, hoci nukleotidové sekvencie nemusia byť identické.

synapsie

Táto invázia vlákna stavia homológne chromozómy proti sebe. Tento jav stretávania sa vlákien sa nazýva synapse (nemýliť sa so synapsiou v neurónoch, tu sa tento termín používa s iným významom).

Synapsia nemusí nevyhnutne znamenať priamy kontakt medzi oboma homológnymi sekvenciami, DNA sa môže chvíľu pohybovať, kým nenájde homológnu časť. Tento proces vyhľadávania sa nazýva homologické zarovnanie.

Tvorba D-slučky

Potom nastane udalosť nazývaná „invázia vetiev“. Chromozóm je dvojitá špirála DNA. Pri homológnej rekombinácii dva chromozómy hľadajú svoje homológne sekvencie. V jednej zo skrutkovíc sa vlákna oddelia a tento reťazec „napadne“ štruktúru dvojitej špirály, čím sa vytvorí štruktúra nazývaná D slučka.

Vlákno D-slučky bolo nahradené inváziou prerušovaného vlákna a párov s komplementárnym vláknom pôvodnej dvojitej špirály.

Formácia križovatky Holliday

Ďalším krokom je vytvorenie odborov Holliday. Tu sú konce vymenených prameňov zviazané dokopy. Táto únia má schopnosť pohybovať sa akýmkoľvek smerom. Kĺb sa môže zlomiť a vytvoriť viackrát.

Posledným procesom rekombinácie je rozlíšenie týchto odborov a existujú dva spôsoby alebo spôsoby, ako to bunka dosahuje. Jedným z nich je štiepenie únie alebo proces nazývaný rozpúšťanie, typický pre eukaryotické organizmy.

V prvom mechanizme prerušenie spojenia Holliday regeneruje dva reťazce. V ďalšom prípade „rozpustenia“ sa v odboroch vyskytne určitý kolaps.

Zahrnuté proteíny

Kľúčový proteín v procese rekombinácie sa nazýva Rad51 v eukaryotických bunkách a RecA v Escherichia coli. Funguje v rôznych fázach rekombinácie: pred, počas a po synapsii.

Proteín Rad51 uľahčuje vytváranie fyzického spojenia medzi napadajúcou DNA a temperovanou DNA. V tomto procese sa vytvára heteroduplexná DNA.

Rad51 a jeho náprotivok RecA katalyzujú hľadanie homológnej DNA a výmenu DNA reťazcov. Tieto proteíny majú schopnosť kooperatívne sa viazať na jednokopovú DNA.

Existujú tiež paralogické gény (pochádzajúce z udalostí duplikácie génov v línii organizmov) Rad51, ktoré sa nazývajú Rad55 a Rad57. U ľudí bolo identifikovaných päť génov Rad51 paralogu nazývaných Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 a Xrcc3.

Anomálie spojené s procesmi rekombinácie

Pretože rekombinácia vyžaduje fyzickú väzbu na chromozómy, je to zásadný krok v správnej segregácii počas meiózy. Ak nenastane správna rekombinácia, výsledkom môže byť veľká patológia.

Nespojenie chromozómov alebo chyby v segregácii sú jednou z najčastejších príčin potratov a anomálií chromozomálneho pôvodu, ako je napríklad trizómia chromozómu 21, ktorá spôsobuje Downov syndróm.

Aj keď rekombinácia je zvyčajne pomerne presný proces, oblasti genómu, ktoré sa opakujú, a gény, ktoré majú viac kópií v celom genóme, sú náchylné na nerovnomerné kríženie.

Toto kríženie vytvára rôzne klinicky relevantné vlastnosti, vrátane bežných chorôb, ako je talasémia a autizmus.

Rekombinačné aplikácie

Molekulárni biológovia využili znalosť mechanizmu homológnej rekombinácie na vytvorenie rôznych technológií. Jeden z nich umožňuje vytváranie „knockout“ organizmov.

Tieto geneticky modifikované organizmy umožňujú objasniť funkciu génu, o ktorý je záujem.

Jedna z metodík používaných na vytvorenie knockoutov spočíva v potlačení expresie špecifického génu nahradením pôvodného génu modifikovanou alebo „poškodenou“ verziou. Gén je zamenený za mutovanú verziu pomocou homológnej rekombinácie.

Iné typy rekombinácie

Okrem homológnej alebo legitímnej rekombinácie existujú aj iné typy výmeny genetického materiálu.

Ak oblasti DNA, ktoré si vymieňajú materiály, sú nealelické (homológne chromozómy), výsledkom je duplikácia alebo redukcia génov. Tento proces je známy ako nehomologická rekombinácia alebo nerovnaká rekombinácia.

Spoločne je možné genetický materiál vymieňať medzi sesterskými chromatidmi na rovnakom chromozóme. Tento proces sa vyskytuje pri meiotickom aj mitotickom delení a nazýva sa nerovnomerná výmena.

Referencie

1. Baker, TA, Watson, JD a Bell, SP (2003). Molekulárna biológia génu. Vydavateľstvo Benjamin-Cummings.
2. Devlin, TM (2004). Biochémia: učebnica s klinickými aplikáciami. Obrátil som sa.
3. Jasin, M., & Rothstein, R. (2013). Oprava zlomov vlákien homológnou rekombináciou. Perspektívy Cold Spring Harbor v biológii, 5 (11), a012740.
4. Li, X. & Heyer, WD (2008). Homológna rekombinácia pri oprave DNA a tolerancii poškodenia DNA. Cell Research, 18 (1), 99-113.
5. Murray, PR, Rosenthal, KS, a Pfaller, MA (2017). Lekárska mikrobiológia. Elsevier Health Sciences.
6. Nussbaum, RL, McInnes, RR a Willard, HF (2015). Thompson & Thompson genetika v medicíne e-knihy. Elsevier Health Sciences.
7. Virgili, RO, a Taboada, JMV (2006). Ľudský genóm: nové pokroky vo výskume, diagnostike a liečbe. Vydania Universitat Barcelona.