Typen en mechanismen voor genetische recombinatie

de genetische recombinatie is het proces waarbij nucleïnezuurmoleculen fragmenten uitwisselen die een nieuw molecuul genereren. Het is heel gewoon in DNA, maar RNA is ook een substraat voor recombinatie. Recombinatie is, na mutatie, de belangrijkste bron van generatie van genetische variabiliteit.

DNA neemt deel aan verschillende biochemische processen. Tijdens replicatie dient het als een sjabloon voor het genereren van twee nieuwe DNA-moleculen. In de transcriptie maakt het het mogelijk RNA-moleculen te genereren uit specifieke gebieden die worden gecontroleerd door een promotor.

Maar daarnaast is DNA ook in staat fragmenten uit te wisselen. Door dit proces ontstaan ​​nieuwe combinaties die niet het product zijn van de twee voorgaande processen, noch van bevruchting.

Elk recombinatieproces omvat het breken en binden van de DNA-moleculen die bij het proces zijn betrokken. Dit mechanisme varieert afhankelijk van het recombinatiesubstraat, de enzymen die bij het proces zijn betrokken en het mechanisme voor de uitvoering ervan.

De recombinatie hangt in het algemeen af ​​van het bestaan ​​van complementaire gebieden, vergelijkbaar (zo niet identiek), of homoloog tussen de recombinante moleculen. In het geval dat ze moleculen recombineren in processen die niet worden geleid door homologie, wordt er gezegd dat de recombinatie niet homoloog is.

Als de homologie een zeer kort gebied betreft dat aanwezig is in beide moleculen, wordt er gezegd dat de recombinatie plaatsspecifiek is.

index

• 1 Definitie
  • 1.1 Chiasm en cross-linking
• 2 Typen genetische recombinatie
  • 2.1-Site-specifieke recombinatie
  • 2.2-Homologe recombinatie
  • 2.3 - Niet-homologe recombinatie
• 3 Belang van recombinatie
  • 3.1 Het belang als oorzaak: replicatie en reparatie van DNA
  • 3.2 Belang als gevolg: het genereren van genetische variabiliteit
  • 3.3 Recombinatie en gezondheid
• 4 Referenties

definitie

Wat we homologie bij recombinatie noemen, hoeft niet noodzakelijkerwijs te verwijzen naar de evolutionaire oorsprong van de deelnemende moleculen. We hebben het meer over de mate van overeenkomst in de nucleotidesequentie.

Niet-reparatieve recombinatie vindt bijvoorbeeld plaats in eukaryoten gedurende het meiose-proces. Ongetwijfeld kan er geen grotere homologie zijn dan tussen paren chromosomen in dezelfde cel.

Dat is waarom ze homologe chromosomen worden genoemd. Er zijn echter gevallen waarin het DNA van een cel materiaal uitwisselt met een vreemd DNA. Deze DNA's moeten erg lijken op recombineren, maar ze hoeven niet noodzakelijk dezelfde voorouder (homologie) te delen om dit te bereiken.

Chiasm en cross-linking

De plaats van vereniging en uitwisseling tussen twee DNA-moleculen wordt chiasm genoemd, en het proces als zodanig, crosslinking. Tijdens het kruisen wordt een uitwisseling van banden tussen de deelnemende DNA's geverifieerd.

Dit genereert een cointegraat, twee DNA-moleculen die fysiek in één zijn verenigd. Wanneer het cointegraat "opgelost" is, worden twee moleculen gegenereerd, in het algemeen veranderd (recombinant).

"Oplossen", in de context van recombinatie, is om de componenten van DNA-moleculen van een cointegraat te scheiden.

Typen genetische recombinatie

-Plaatsspecifieke recombinatie

Bij plaatsspecifieke recombinatie hebben twee DNA-moleculen, in het algemeen niet-homoloog, een korte sequentie die beide gemeen hebben. Deze sequentie wordt het doelwit van een specifiek splicing-enzym.

Het enzym, in staat om deze sequentie te herkennen en niet een ander, snijdt het op een bepaalde plaats in beide moleculen. Met de hulp van enkele andere factoren, wisselt het de DNA-banden van de twee deelnemende moleculen uit en vormt het een cointegraat.

Escherichia coli en lambda

Dit is de basis voor de vorming van het cointegraat tussen het genoom van de bacterie Escherichia coli en die van de bacteriofaag lambda. Een bacteriofaag is een virus dat bacteriën infecteert.

De vorming van dit cointegraat wordt uitgevoerd door een enzym dat is gecodeerd in het genoom van het virus: het lambda-integrase. Dit herkent een veelvoorkomende reeks genaamd attP in het circulaire genoom van het virus, en attB in de bacterie.

Door beide sequenties in beide moleculen te knippen, genereert het vrije segmenten, wisselt het de banden uit en verenigt het de twee genomen. Een grotere cirkel wordt gevormd, of gecoïntegreerd.

In het gecoïntegreerde wordt het genoom van het virus passief gedragen door het bacteriële genoom, waarmee het repliceert. In deze staat wordt gezegd dat het virus zich in een provirustoestand bevindt en dat de bacterie daarvoor lysogeen is.

Het omgekeerde proces, dat wil zeggen de gecoïntegreerde resolutie, kan vele generaties duren - of zelfs niet voorkomen. Als het echter is gedaan, wordt het enzymatisch gemedieerd door een ander eiwit dat wordt gecodeerd door het virusgenoom dat excisionasa wordt genoemd. Wanneer dit gebeurt, scheidt het virus zich af van het cointegraat, reactiveert het en veroorzaakt het cellysis.

-Homologe recombinatie

Gegeneraliseerde recombinatie

De homologe recombinatie wordt geverifieerd tussen DNA-moleculen die ten minste 40 nucleotiden delen van volledige of bijna volledige overeenkomst. Voor het uitvoeren van het recombinatieproces moet ten minste één endonuclease deelnemen.

Endonucleasen zijn enzymen die interne snijwonden in DNA genereren. Sommigen doen het om door te gaan met het degraderen van het DNA. Anderen, zoals in het geval van recombinatie, doen dit om een ​​deuk in het DNA te genereren.

Met deze unieke nickname kun je één enkele DNA-band met een gratis uiteinde verwerken. Dit vrije einde, geleid door een recombinase, staat een enkele band toe om een ​​dubbel DNA binnen te vallen door de residente band identiek aan het te verplaatsen.

Dit is het punt van oversteken, tussen een donor-DNA-molecuul ("indringer") en een andere ontvanger.

Het enzym (recombinase) dat het proces van invasie en uitwisseling van banden uitvoert Escherichia coli het heet RecA. Er zijn andere homologe eiwitten in prokaryoten, zoals RadA in archaea. In eukaryoten wordt het equivalente enzym RAD51 genoemd.

Zodra de binnenvallende bende de bewoner verdringt, werkt het samen met de band die eenvoudig bleef in het donormolecuul. Beide punten worden verzegeld door de actie van een ligase.

We hebben nu DNA van hybride banden (een donorband en een receptorband, van verschillende oorsprong) geflankeerd door donor-DNA en ontvanger-DNA. De kruispunten (chiasma's) bewegen in beide richtingen minstens 200 bp.

Elk verknopingspunt vormt wat bekend staat als de Holliday-structuur (kruisvormig DNA resulterend uit een recombinatiegebeurtenis).

Dit cruciform DNA moet worden opgelost door andere endonucleasen. Het hybride of chimere DNA van deze structuur kan op twee manieren worden opgelost. Als de tweede endonucleotidefractie plaatsvindt in dezelfde band waarin de eerste is opgetreden, wordt geen recombinatie gegenereerd. Als de tweede snede in de andere band voorkomt, zijn de resulterende producten recombinant.

Recombinatie V (D) J

Dit is een soort van somatische recombinatie (niet meiotisch) die bijdraagt ​​tot de generatie van de enorme variabiliteit van de antilichamen van het immuunsysteem.

Deze recombinatie wordt geverifieerd in het bijzonder fragmenten van de genen die coderen voor de polypeptideketens die deze definiëren. Het wordt uitgevoerd door B-cellen en omvat verschillende genetische regio's.

Interessant is dat er parasieten zijn zoals Trypanosoma brucei die een soortgelijk recombinatiemechanisme gebruiken om variabiliteit in een oppervlakteantigeen te creëren. Op deze manier kunnen ze de reactie van de gastheer ontwijken als deze er niet in slaagt om het antilichaam te genereren dat in staat is om het "nieuwe" antigeen te herkennen..

-Niet-homologe recombinatie

Ten slotte zijn er recombinatieprocessen die niet afhankelijk zijn van de sequentievergelijkbaarheid van de deelnemende moleculen. In eukaryoten is het erg belangrijk, bijvoorbeeld, de recombinatie van niet-homologe uiteinden.

Dit gebeurt met DNA-fragmenten met dubbelbandbreuken in DNA. Deze worden "gerepareerd" doordat de cel ze met andere fragmenten verbindt, in gelijke mate met breuken in de dubbele band.

Deze moleculen hoeven echter niet noodzakelijk vergelijkbaar te zijn om deel te nemen aan dit recombinatieproces. Dat wil zeggen, door de schade te herstellen, kan de cel niet-verwante DNA's binden, waardoor een echt nieuw (recombinant) molecuul ontstaat. 

Het belang van recombinatie

Belang als een oorzaak: replicatie en reparatie van DNA

Recombinatie garandeert de betrouwbaarheid van DNA-informatie tijdens en na het replicatieproces. Recombinatie detecteert DNA-schade tijdens het maken van nieuwe banden in dit extreem lange macromolecuul.

Omdat elke band zijn eigen informatie heeft en die van zijn complement, garandeert recombinatie dat er geen verloren gaat. Elke een fungeert als een getuige voor de ander. Evenzo is in diploïde organismen een homoloog chromosoom een ​​getuige van zijn broer en vice versa.

Aan de andere kant, nadat het DNA is gerepliceerd, worden de mechanismen voor schadeherstel van dit molecuul gevarieerd. Sommige zijn direct (werkt direct op de blessure) en andere zijn indirect.

Indirecte reparatiemechanismen zijn afhankelijk van de recombinatie die moet worden uitgevoerd. Dat wil zeggen, om de schade in één DNA-molecuul te repareren, wordt een ander homoloog molecuul gebruikt. Dit zou in de reparatieve recombinatie fungeren als een vorm die schade heeft opgelopen.

Belang als gevolg: het genereren van genetische variabiliteit

Recombinatie is in staat om tijdens de meiose een enorme chromosomale variabiliteit te creëren. Somatische recombinatie genereert ook variabiliteit, zoals in het geval van antilichamen in gewervelde dieren.

In veel organismen is meiose gametica. In organismen met seksuele reproductie blijkt recombinatie een van de krachtigste manieren om variabiliteit te genereren.

Dat wil zeggen, voor de spontane mutatie en de scheiding van chromosomen is het noodzakelijk om de recombinatie toe te voegen als een ander generatorelement van gametische variabiliteit.

De integratie van bacteriofaaggenomen door plaatsspecifieke recombinatie heeft anderzijds bijgedragen aan de hermodellering van hun gastheerbacterie in het genoom..

Dit heeft bijgedragen tot het genereren van genomische variabiliteit en evolutie van deze belangrijke groep van levende wezens.

De recombinatie en gezondheid

We hebben al gezien dat DNA kan worden gerepareerd, maar niet wat het beschadigt. Eigenlijk kan bijna alles DNA beschadigen, te beginnen met een defecte replicatie die niet is gecorrigeerd.

Maar verder kan DNA worden beschadigd door UV-licht, ioniserende straling, vrije zuurstofradicalen product van cellulaire ademhaling, en wat we eten, roken, ademen, eten of aanraken.

Gelukkig hoef je het leven niet op te geven om DNA te beschermen. Je moet bepaalde dingen verzaken, maar het grote werk wordt gedaan door de cel zelf. Deze mechanismen voor detectie van schade aan DNA en het herstel ervan hebben duidelijk een genetische basis en de tekortkoming ervan, enorme gevolgen.

Ziekten gerelateerd aan defecten in homologe recombinatie omvatten bijvoorbeeld de Bloom en Werner syndromen, familiale kanker van de borst en eierstokken, enz..

referenties

1. Alberts, B., Johnson, A. D., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6e editie). W.W. Norton & Company, New York, NY, VS..
2. Bell, J.C., Kowalczykowski, S.C. (2016) Mechanica en ondervraging van een enkele molecule van DNA-recombinatie. Jaaroverzicht van de biochemie, 85: 193-226.
3. Prado, F. () Homologe recombinatie: naar vork en verder. Genen, doi: 10.3390 / genes9120603
4. Griffiths, A.J.F., Wessler, R., Carroll, S.B., Doebley, J. (2015). Een inleiding tot genetische analyse (11e druk). New York: W.H. Freeman, New York, NY, VS..
5. Tock, A.J., Henderson, I.R. (2018) Hotspots voor initiatie van Meiotic Recombination. Grenzen in de genetica, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) A Prophages in Salmonella enterica: een drijvende kracht in het hervormen van het genoom en de fysiologie van hun bacteriële gastheer? Molecular Microbiology, doi: 10.1111 / mmi.14167.
7. Wright, W.D., Shah, S., Heyer, W.D. (2018) Homologe recombinatie en dubbel herstel van DNA-reparaties. Journal of Biological Chemistry, 293: 10524-10535