Fungsi, mekanisme dan aplikasi penggabungan homolog



The penggabungan homolog ia adalah satu proses yang melibatkan pertukaran molekul DNA di antara genom yang sama atau sama dengan genom. Sel-sel menggunakan rekombinasi homologus terutamanya untuk pembaikan rehat dalam bahan genetik, menghasilkan variasi genetik dalam populasi.

Secara umum, penggabungan homologik membayangkan pasangan fizikal antara zon homologous bahan genetik, diikuti oleh pemecahan rantai yang akan menjalani pertukaran, dan akhirnya kesatuan molekul DNA baru digabungkan.

Pecah-pecah dalam DNA mesti diperbaiki dengan cepat dan cekap yang mungkin. Apabila kerosakan tidak diperbaiki, akibatnya boleh menjadi serius dan bahkan mematikan. Dalam bakteria, fungsi utama penggabungan homolog adalah untuk membaiki rehat ini dalam bahan genetik.

Rekombinasi homologik dianggap sebagai salah satu mekanisme utama yang membolehkan kestabilan genom. Ia hadir dalam semua bidang kehidupan dan juga dalam virus, jadi mungkin ia adalah mekanisme penting yang muncul sangat awal dalam evolusi kehidupan.

Indeks

  • 1 Perspektif sejarah
  • 2 Apakah gabungan semula homolog??
  • 3 Fungsi dan akibat dari penggabungan homolog
    • 3.1 Dalam bakteria
  • 4 Mekanisme
    • 4.1 Sinaps
    • 4.2 Latihan gelung D
    • 4.3 Pembentukan kesatuan Holliday
    • 4.4 Protein yang terlibat
  • 5 Keabnormalan yang berkaitan dengan proses rekombinasi
  • 6 Permohonan penggabungan semula
  • 7 jenis penggabungan lain
  • 8 Rujukan

Perspektif sejarah

Salah satu prinsip yang paling sesuai yang dicadangkan oleh Gregor Mendel adalah kemerdekaan dalam pengasingan watak-watak. Mengikut undang-undang ini, gen yang berlainan mengalir dari ibu bapa kepada anak secara mandiri.

Walau bagaimanapun, pada tahun 1900, terdapat pengecualian yang sangat ketara terhadap prinsip ini jelas. Ahli genetik Inggeris Bateson dan Punnett menunjukkan bahawa banyak kali watak-watak tertentu diwariskan bersama, dan untuk ciri-ciri ini prinsip yang diucapkan oleh Mendel tidak sah.

Siasatan kemudiannya berjaya menjelaskan kewujudan proses rekombinasi, di mana sel-sel mampu menukar bahan genetik. Dalam kes-kes di mana gen diwarisi bersama, DNA tidak ditukar kerana kedekatan fizikal antara gen.

Apakah gabungan semula homolog??

Recombination homolog adalah fenomena sel yang melibatkan pertukaran fisik urutan DNA antara dua kromosom. Penggabungan melibatkan satu set gen yang dikenali sebagai gen rec. Kod ini untuk enzim berbeza yang terlibat dalam proses ini.

Molekul DNA dianggap "homolog" apabila mereka berkongsi urutan serupa atau serupa dengan lebih daripada 100 pasangan asas. DNA mempunyai kawasan kecil yang boleh berbeza antara satu sama lain, dan varian ini dikenali sebagai alel.

Dalam makhluk hidup, semua DNA dianggap DNA rekombinan. Pertukaran bahan genetik antara kromosom berlaku secara berterusan, mencampurkan dan menyusun semula gen dalam kromosom.

Proses ini berlaku dengan jelas dalam meiosis. Khususnya pada fasa di mana kromosom dipasangkan di bahagian sel pertama. Pada peringkat ini, pertukaran bahan genetik antara kromosom berlaku.

Dari segi sejarah, proses ini ditetapkan dalam kesusasteraan menggunakan perkataan Anglo-Saxon menyeberang. Acara ini adalah salah satu daripada hasil rekombinasi homolog.

Kekerapan menyeberang antara dua gen kromosom yang sama bergantung terutamanya pada jarak antara kedua-dua; semakin kecil jarak fizikal di antara mereka, semakin rendah frekuensi pertukaran.

Fungsi dan akibat dari penggabungan homolog

Bahan genetik sentiasa terdedah kepada kerosakan, disebabkan oleh sumber endogen dan eksogen, seperti radiasi, sebagai contoh.

Dianggarkan bahawa sel-sel manusia menunjukkan sejumlah besar lesi dalam DNA, dalam urutan puluhan hingga ratusan per hari. Luka-luka ini perlu diperbaiki untuk mengelakkan mutasi yang berpotensi merosakkan, penyumbatan dalam replikasi dan transkripsi dan kerosakan pada paras kromosom.

Dari sudut pandang perubatan, kerosakan DNA yang tidak diperbaiki dengan betul mengakibatkan perkembangan tumor dan patologi lain.

Rekombinasi homolog adalah peristiwa yang membolehkan pembaikan DNA, yang membolehkan pemulihan jujukan yang hilang, menggunakan sebagai templat untaian DNA lain (homolog).

Proses metabolik ini hadir dalam semua bentuk kehidupan, menyediakan satu mekanisme kesetiaan yang tinggi yang membolehkan untuk memperbaiki "jurang" dalam DNA, pecahan ganda dan hubungan silang di antara rangkaian DNA.

Salah satu akibat yang paling relevan untuk rekombinasi ialah penjanaan variasi genetik baru. Bersama-sama dengan mutasi, mereka adalah dua proses yang menghasilkan variasi dalam makhluk hidup - ingat bahwa variasi adalah bahan mentah untuk evolusi.

Di samping itu, ia menyediakan mekanisme untuk memulakan semula garpu replikasi yang telah rosak.

Dalam bakteria

Dalam bakteria, ada kejadian gen yang mendatar. Ini dikelaskan sebagai konjugasi, transformasi dan transduksi. Di sini, prokariot mengambil DNA dari organisme lain, dan juga dari spesies yang berlainan.

Semasa proses ini, penggabungan semula homolog berlaku di antara sel penerima dan sel penderma.

Mekanisme

Penggabungan semula homolog bermula dengan rehat di salah satu helai molekul DNA kromosom. Selepas ini, satu siri langkah yang dipangkin oleh pelbagai enzim berlaku.

The 3'-end di mana pemotongan berlaku diserang oleh helaian DNA homolog ganda. Proses pencerobohan adalah penting. Dengan "rantaian homolog" kita mahu merujuk kepada bahagian-bahagian kromosom yang mempunyai gen yang sama dalam susunan linear, walaupun urutan nukleotida tidak perlu sama.

Sinapsis

Pencerobohan ini menjadikan kromosom homologous menghadapi satu sama lain. Fenomena pertemuan tikus ini disebut synapsis (tidak boleh dikelirukan dengan sinapsis dalam neuron, di sini istilah digunakan dengan makna yang lain).

Sinaps tidak semestinya menyentuh hubungan langsung antara kedua-dua urutan homolog, DNA boleh terus bergerak untuk satu masa sehingga ia mendapati bahagian homologus. Proses carian ini dipanggil penjajaran homolog.

Pembentukan gelung D

Kemudian, peristiwa yang dikenali sebagai "serangan terhadap benang" berlaku. Kromosom adalah helix dua DNA. Dalam penggabungan semula homolog, dua kromosom mencari urutan homologinya. Di salah satu heliks, helai berasingan dan helai ini "menyerang" struktur heliks ganda, membentuk struktur yang dipanggil gelung D.

Rangkaian gelung D telah dipindahkan oleh pencerobohan helai yang membelah pecah dan berpasangan dengan helai pelengkap helix double asal.

Pembentukan kesatuan Holliday

Langkah seterusnya adalah pembentukan persimpangan Holliday. Di sini, hujung benang yang dipertukarkan dikaitkan. Kesatuan ini mempunyai keupayaan untuk bergerak ke mana-mana arah. Kesatuan boleh dipecahkan dan terbentuk pada beberapa kali.

Proses terakhir rekombinasi adalah penyelesaian persimpangan ini dan terdapat dua cara atau cara di mana sel mencapainya. Salah satu daripada mereka adalah perpecahan kesatuan atau proses yang disebut pembubaran, tipikal organisma eukariotik.

Dalam mekanisme pertama, perpecahan kesatuan Holliday menghidupkan semula dua rantai. Dalam acara "pembubaran" yang lain berlaku sejenis keruntuhan dalam kesatuan.

Protein terlibat

Protein penting dalam proses penggabungan semula disebut Rad51 dalam sel-sel eukariotik, dan RecA in Escherichia coli. Ia berfungsi dalam fasa-fasa rekombinasi yang berlainan: sebelum, semasa dan selepas sinaps.

Protein Rad51 memudahkan pembentukan hubungan fizikal antara menyerang DNA dan DNA yang marah. Dalam proses ini DNA heteroduplex dihasilkan.

Rad51, dan homolognya RecA, memangkinkan pencarian DNA homolog dan pertukaran helai DNA. Protein ini mempunyai keupayaan untuk bergabung dengan DNA band tunggal.

Terdapat juga gen paralogi (berasal dari peristiwa duplikasi gen dalam keturunan organisma) Rad51, yang dipanggil Rad55 dan Rad57. Pada manusia, lima gen Paralog Rad51 yang dipanggil Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2, dan Xrcc3 telah dikenalpasti..

Kelainan yang berkaitan dengan proses rekombinasi

Apabila penggabungan semula memerlukan pengikatan fizikal dalam kromosom, ia adalah langkah penting dalam pemisahan yang betul semasa meiosis. Jika rekombinasi yang mencukupi tidak berlaku, hasilnya boleh menjadi patologi penting.

Penyimpangan kromosom atau kesilapan dalam pemisahan adalah salah satu penyebab utama pengguguran dan anomali asal kromosom, seperti trisomi kromosom 21, yang menyebabkan sindrom Down.

Walaupun rekombinasi biasanya merupakan proses yang agak tepat, kawasan genom yang diulang dan gen yang mempunyai banyak salinan sepanjang genom adalah unsur-unsur yang terdedah kepada lintasan yang tidak sama rata.

Interbreeding ini menghasilkan ciri-ciri klinikal yang berbeza, termasuk penyakit kerap berlaku seperti talasemia dan autisme..

Permohonan penggabungan semula

Ahli biologi molekul telah mengambil kesempatan daripada pengetahuan mekanisme penggabungan homolog untuk penciptaan teknologi yang berbeza. Salah satu ini membolehkan penciptaan organisma "kalah mati".

Organisma yang diubah suai secara genetik ini membolehkan untuk menjelaskan fungsi gen yang menarik.

Salah satu metodologi yang digunakan untuk penciptaan knockouts ia terdiri daripada penindasan ungkapan gen tertentu menggantikan gen asal dengan versi diubahsuai atau "rosak". Gen ini ditukar untuk versi mutasi dengan cara penggabungan homolog.

Jenis-jenis rekombinan lain

Sebagai tambahan kepada rekombinasi homolog atau sah, terdapat jenis pertukaran material genetik yang lain.

Apabila kawasan DNA yang menukar bahan itu bukan alel (kromosom homolog) hasilnya adalah pertindihan atau pengurangan gen. Proses ini dikenali sebagai rekombinasi bukan homolog atau gabungan yang tidak sama rata.

Bersama-sama, bahan genetik juga boleh ditukar antara kromatid kakak kromosom yang sama. Proses ini berlaku di kedua bahagian meiotik dan mitosis, dan disebut pertukaran yang tidak sama rata.

Rujukan

  1. Baker, T. A., Watson, J. D., & Bell, S. P. (2003). Biologi molekul gen. Benjamin-Cummings Publishing Company.
  2. Devlin, T. M. (2004). Biokimia: buku teks dengan aplikasi klinikal. Saya balik.
  3. Jasin, M., & Rothstein, R. (2013). Pembaikan rehat strand dengan penggabungan homolog. Perspektif Cold Spring Harbor dalam biologi, 5(11), a012740.
  4. Li, X., & Heyer, W. D. (2008). Penggabungan homologik dalam pembaikan DNA dan toleransi kerosakan DNA. Penyelidikan sel, 18(1), 99-113.
  5. Murray, P.R., Rosenthal, K.S., & Päcker, M.A. (2017). Mikrobiologi perubatan. Elsevier Health Sciences.
  6. Nussbaum, R. L., McInnes, R. R., & Willard, H. F. (2015). Thompson & Thompson genetik dalam e-buku perubatan. Elsevier Health Sciences.
  7. Virgili, R. O., & Taboada, J. M. V. (2006). Genom manusia: kemajuan baru dalam penyelidikan, diagnosis dan rawatan. Edicions Universitat Barcelona.