Jenis dan mekanisme genetik penggabungan



The penggabungan genetik adalah proses di mana molekul asid nukleus menukar serpihan yang menghasilkan molekul baru. Ia sangat biasa dalam DNA, tetapi RNA juga merupakan substrat untuk rekombinasi. Pengkombinan semula adalah, selepas mutasi, sumber utama penjanaan genetik yang paling penting.

DNA mengambil bahagian dalam proses biokimia yang berbeza. Semasa replikasi, ia berfungsi sebagai templat untuk penjanaan dua molekul DNA baru. Dalam transkripsi, ia membolehkan untuk menjana molekul RNA dari kawasan-kawasan tertentu yang dikawal oleh penganjur.

Tetapi selain itu, DNA juga mampu bertukar-tukar serpihan. Melalui proses ini menghasilkan gabungan baru yang bukan hasil daripada dua proses terdahulu, atau persenyawaan.

Proses penggabungan semula melibatkan pemecahan dan mengikat molekul DNA yang terlibat dalam proses tersebut. Mekanisme ini berbeza-beza bergantung kepada yang merupakan substrat rekombinan, enzim yang terlibat dalam proses itu, dan mekanisme pelaksanaannya.

Penggabungan secara amnya bergantung kepada kewujudan kawasan pelengkap, serupa (jika tidak sama), atau homolog antara molekul rekombinan. Sekiranya mereka menggabungkan semula molekul dalam proses yang tidak dibimbing oleh homologi, dikatakan bahawa rekombinasi tidak homolog.

Jika homologi melibatkan rantau yang sangat pendek yang hadir di kedua-dua molekul, dikatakan bahawa penggabungan semula adalah khusus tapak.

Indeks

  • 1 Definisi
    • 1.1 Chiasm dan cross-linking
  • 2 Jenis penggabungan genetik
    • Pengumpulan semula 2.1-tapak khusus
    • 2.2-Homologous recombination
    • 2.3 - Penggabungan bukan homolog
  • 3 Kepentingan rekombinasi
    • 3.1 Kepentingan sebagai sebab: Replikasi dan pembaikan DNA
    • 3.2 Kepentingan sebagai akibatnya: penjanaan kebolehubahan genetik
    • 3.3 Rekombinasi dan kesihatan
  • 4 Rujukan

Definisi

Apa yang kita panggil homologi dalam rekombinasi tidak semestinya merujuk kepada asal-usul evolusi molekul yang terlibat. Kami bercakap lebih lanjut mengenai tahap keserupaan dalam urutan nukleotida.

Sebagai contoh, penggabungan bukan reparatif berlaku dalam eukariota semasa proses meiosis. Tidak dinafikan, tidak ada homologi yang lebih besar daripada pasangan pasang kromosom dalam sel yang sama.

Itulah sebabnya mereka dipanggil kromosom homolog. Walau bagaimanapun, terdapat kes-kes di mana DNA sel pertukaran bahan dengan DNA asing. DNA-DNA ini mestilah serupa dengan rekombinasi, tetapi mereka tidak perlu berkongsi nenek moyang yang sama (homologi) untuk mencapainya.

Chiasm dan cross-linking

Tapak kesatuan dan pertukaran antara dua molekul DNA disebut chiasm, dan proses itu, crosslinking. Semasa menyeberangi, pertukaran band antara DNA yang terlibat disahkan.

Ini menghasilkan cointegrate, yang mana dua molekul DNA secara fizikal bersatu dalam satu. Apabila cointegrate "diselesaikan", dua molekul dijana, umumnya berubah (rekombinan).

"Selesaikan", dalam konteks penggabungan semula, adalah untuk memisahkan komponen-komponen molekul DNA suatu kointegrat.

Jenis penggabungan genetik

-Penggabungan semula tapak khusus

Di dalam rekombinasi khusus tapak, dua molekul DNA, secara amnya tidak homolog, mempunyai urutan pendek yang sama kepada kedua-duanya. Urutan ini disasarkan oleh enzim splicing tertentu.

Enzim, yang mampu mengiktiraf urutan ini dan bukan yang lain, memotongnya di tapak tertentu di kedua-dua molekul. Dengan bantuan beberapa faktor lain, ia menukar band-band DNA dari dua molekul yang menyertai dan membentuk satu cointegrate.

Escherichia coli dan lambda

Ini adalah asas pembentukan kointegrate antara genom bakteria Escherichia coli dan lambda bacteriophage. A bacteriophage adalah virus yang menjangkiti bakteria.

Pembentukan cointegrate ini dilakukan oleh enzim yang dikodkan dalam genom virus: integrasi lambda. Ini mengiktiraf urutan biasa yang dipanggil attP dalam genom pekeliling virus, dan attB dalam bakteria.

Dengan memotong kedua-dua urutan dalam kedua-dua molekul, ia menghasilkan segmen bebas, menukar band dan menyatukan dua genom. Satu lingkaran yang lebih besar dibentuk, atau digabungkan.

Dalam gabungan itu, genom virus secara pasif dibawa oleh genom bakteria, yang mana ia mereplikasi. Dalam keadaan ini dikatakan bahawa virus itu berada dalam keadaan provirus, dan bakterinya adalah lysogenic untuk sama.

Proses songsang, yakni, resolusi berkepadatan, dapat mengambil banyak generasi - atau bahkan tidak terjadi. Walau bagaimanapun, jika ia dilakukan, ia disejajarkan secara enzim oleh protein lain yang dikodkan oleh genom virus yang dipanggil excisionasa. Apabila ini berlaku, virus itu memisahkan dari cointegrate, mengaktifkan semula dan menyebabkan lisis sel.

-Penggabungan homolog

Gabungan semula secara umum

Penggabungan homologus disahkan di antara molekul DNA yang berkongsi sekurang-kurangnya 40 nukleotida kesamaan lengkap atau hampir lengkap. Untuk menjalankan proses rekombinasi, sekurang-kurangnya satu endonuclease mesti mengambil bahagian.

Endonukleases adalah enzim yang menghasilkan luka dalaman dalam DNA. Ada yang melakukannya untuk terus merendahkan DNA. Lain-lain, seperti dalam hal rekombinasi, berbuat demikian untuk menjana penyok dalam DNA.

Nick unik ini membolehkan anda memproses band DNA tunggal dengan hujung percuma. Akhir percuma ini, dipandu oleh rekombinasi, membolehkan satu band untuk menyerang DNA berganda dengan menggantikan band pemastautin yang sama dengannya.

Ini adalah titik persimpangan, antara molekul DNA penderma ("penyerang") dan penerima lain.

Enzim (recombinase) yang menjalankan proses pencerobohan dan pertukaran band dalam Escherichia coli ia dipanggil RecA. Terdapat protein homolog lain dalam prokariot, seperti RadA di archaea. Dalam eukariota, enzim yang sama dipanggil RAD51.

Sebaik sahaja geng menyerang menggantikan penduduk, ia berinteraksi dengan band yang kekal sederhana dalam molekul penderma. Kedua-dua mata itu dimeteraikan oleh tindakan ligase.

Kami kini mempunyai DNA dari kumpulan hibrid (band penderma dan band reseptor, asal-usul yang berbeza) diapit oleh DNA penderma dan DNA penerima. Titik persimpangan (chiasmas) bergerak di kedua-dua arah sekurang-kurangnya 200 bp.

Setiap titik silang menghubungkan apa yang dikenali sebagai struktur Holliday (DNA cruciform akibat dari peristiwa rekombinasi).

DNA cruciform ini mesti diselesaikan oleh endonucleases lain. DNA hibrid atau chimer struktur ini boleh diselesaikan dalam dua cara. Sekiranya pemotongan endonukleotida kedua berlaku di band yang sama di mana yang pertama berlaku, penggabungan semula tidak dijana. Sekiranya potongan kedua berlaku pada band lain, produk yang dihasilkan adalah rekombinan.

Penggabungan V (D) J

Ini adalah sejenis rekombinasi somatik (tidak meiotik) yang menyumbang kepada generasi dalam variasi besar antibodi sistem imun.

Rekombinasi ini disahkan pada serpihan tertentu gen yang menjadi kod bagi rantai polipeptida yang menentukannya. Ia dijalankan oleh sel B dan melibatkan kawasan genetik yang berbeza.

Menariknya, terdapat parasit seperti Trypanosoma brucei yang menggunakan mekanisme rekombinasi yang sama untuk membuat perubahan dalam antigen permukaan. Dengan cara ini, mereka boleh mengelakkan tindak balas tuan rumah jika gagal menghasilkan antibodi yang mampu mengiktiraf antigen "baru"..

-Penggabungan bukan homolog

Akhirnya, terdapat proses rekombinasi yang tidak bergantung pada keserupaan urutan molekul yang terlibat. Dalam eukariota, sangat penting, sebagai contoh, penggabungan semula tak akhir homolog.

Ini berlaku dengan serpihan DNA yang memecah dua jalur dalam DNA. Ini adalah "diperbaiki" oleh sel yang bergabung dengan mereka kepada serpihan lain sama dengan pecah band berganda.

Bagaimanapun, molekul-molekul ini tidak semestinya sama dengan mengambil bahagian dalam proses rekombinasi ini. Iaitu, dengan membaiki kerosakan, sel boleh mengikat DNA yang tidak berkaitan, mewujudkan molekul yang benar-benar baru (rekombinan). 

Kepentingan rekombinasi

Kepentingan sebagai penyebab: Replikasi DNA dan pembaikan

Penggabungan semula menjamin kesetiaan maklumat DNA semasa dan selepas proses replikasi. Pengkombinan mengesan kerosakan DNA semasa proses membuat band baru dalam makromolekul yang sangat panjang ini.

Oleh kerana setiap kumpulan mempunyai maklumat tersendiri, dan pelengkapnya, rekombinasi menjamin bahawa tidak ada yang hilang. Setiap orang bertindak sebagai saksi untuk yang lain. Begitu juga, dalam organisma diploid, kromosom homologous menjadi saksi kepada abangnya, dan sebaliknya.

Sebaliknya, apabila DNA telah direplikasi, mekanisme pembaikan kerosakan molekul ini berbeza-beza. Ada yang langsung (bertindak secara langsung pada kecederaan) dan yang lain tidak langsung.

Mekanisme pembaikan tidak langsung bergantung kepada penggabungan semula yang akan dijalankan. Iaitu, untuk membaiki kerosakan dalam satu molekul DNA satu lagi molekul homologus digunakan. Ini akan bertindak dalam penggabungan reparatif sebagai acuan yang telah mengalami kerosakan.

Kepentingan sebagai akibatnya: penjanaan kebolehubahan genetik

Penggabungan mampu menghasilkan variasi kromosom yang sangat besar semasa meiosis. Penggabungan somatik juga menghasilkan variabilitas, seperti dalam hal antibodi dalam vertebrata.

Dalam banyak organisme, meiosis adalah gametica. Dalam organisma dengan pembiakan seksual, penggabungan semula menjadi salah satu cara yang paling berkuasa untuk menjana kebolehubahan.

Maksudnya, untuk mutasi spontan dan pemisahan kromosom adalah perlu untuk menambah penggabungan semula sebagai unsur penjana lain dari kebolehubahan gamet.

Penyepaduan genom bacteriophage oleh rekombinasi khusus tapak, sebaliknya, telah menyumbang kepada pembentukan semula genom bakteria tuan rumah mereka.

Ini telah menyumbang kepada pembolehubah genomik, dan evolusi, kumpulan makhluk hidup yang penting ini.

Rekombinasi dan kesihatan

Kita telah melihat bahawa DNA boleh diperbaiki, tetapi bukan apa yang merosakkannya. Sebenarnya, hampir segalanya boleh merosakkan DNA, bermula dengan replikasi rosak yang tidak diperbetulkan.

Tetapi di luar itu, DNA boleh rosak oleh cahaya UV, sinaran pengion, produk oksigen bebas radikal pernafasan selular, dan apa yang kita makan, asap, bernafas, makan atau menyentuh.

Mujurlah, anda tidak perlu berputus asa untuk melindungi DNA. Seseorang mesti meninggalkan perkara tertentu, tetapi kerja besar dilakukan oleh sel itu sendiri. Mekanisme pengesanan kerosakan pada DNA, dan pembaikannya, jelas mempunyai dasar genetik, dan kekurangannya, akibat yang sangat besar.

Penyakit yang berkaitan dengan kecacatan dalam penggabungan homolog termasuk, misalnya, sindrom Bloom dan Werner, kanser keluarga payudara dan ovari, dan sebagainya..

Rujukan

  1. Alberts, B., Johnson, A.D., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Biologi Molekul Sel (Edisi ke-6). W. W. Norton & Company, New York, NY, Amerika Syarikat.
  2. Bell, J.C., Kowalczykowski, S.C. (2016) Mekanik dan penginterrogasi tunggal molekul rekombinasi DNA. Kajian Tahunan Biokimia, 85: 193-226.
  3. Prado, F. () Rekombinan Homologous: To Fork and Beyond. Gen, doi: 10.3390 / genes9120603
  4. Griffiths, A.J.F., Wessler, R., Carroll, S.B., Doebley, J. (2015). Pengenalan kepada Analisis Genetik (edisi ke-11). New York: W. H. Freeman, New York, NY, Amerika Syarikat.
  5. Tock, A.J., Henderson, I.R. (2018) Hotspot untuk Inisiasi Penggabungan Meiotik. Perbatasan dalam Genetik, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
  6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) Salmonella enterica: kuasa memandu dalam membina semula genom dan fisiologi hos bakterinya? Mikrobiologi Molekul, doi: 10.1111 / mmi.14167.
  7. Wright, W. D., Shah, S., Heyer, W. D. (2018) Rekombinasi homolog dan pembaikan DNA double-strand. Jurnal Kimia Biologi, 293: 10524-10535