Homologe recombinatiefuncties, mechanisme en toepassingen

de homologe recombinatie het is een proces dat de uitwisseling van DNA-moleculen tussen gelijksoortige of identieke secties van het genoom omvat. De cellen gebruiken homologe recombinatie voornamelijk voor het herstel van breuken in het genetisch materiaal, waardoor genetische variatie in de populaties wordt gegenereerd.

Over het algemeen impliceert homologe recombinatie de fysieke koppeling tussen homologe zones van het genetische materiaal, gevolgd door het breken van de ketens die de uitwisseling zullen ondergaan, en tenslotte de vereniging van de nieuwe DNA-moleculen gecombineerd.

De onderbrekingen in het DNA moeten zo snel en efficiënt mogelijk worden hersteld. Wanneer de schade niet wordt hersteld, kunnen de gevolgen ernstig en zelfs dodelijk zijn. In bacteriën is de belangrijkste functie van homologe recombinatie het repareren van deze breuken in het genetisch materiaal.

Homologe recombinatie wordt beschouwd als een van de belangrijkste mechanismen die de stabiliteit van het genoom mogelijk maken. Het is aanwezig in alle domeinen van het leven en zelfs in virussen, dus vermoedelijk is het een vitaal mechanisme dat heel vroeg in de evolutie van het leven verscheen.

index

• 1 Historisch perspectief
• 2 Wat is homologe recombinatie?
• 3 Functies en consequenties van homologe recombinatie
  • 3.1 In bacteriën
• 4 Mechanisme
  • 4.1 Synapsen
  • 4.2 Training van de D-lus
  • 4.3 Oprichting van Holliday-bonden
  • 4.4 Eiwitten betrokken
• 5 Afwijkingen geassocieerd met recombinatieprocessen
• 6 Toepassingen van recombinatie
• 7 Andere soorten recombinatie
• 8 Referenties

Historisch perspectief

Een van de meest relevante principes voorgesteld door Gregor Mendel is onafhankelijkheid in de segregatie van karakters. Volgens deze wet gaan de verschillende genen onafhankelijk van ouders over op kinderen.

In 1900 was er echter sprake van zeer duidelijke uitzonderingen op dit beginsel. De Engelse genetici Bateson en Punnett toonden aan dat vaak bepaalde karakters samen worden geërfd, en voor deze kenmerken heeft het door Mendel uitgesproken principe geen geldigheid.

Latere onderzoeken slaagden erin het bestaan ​​van het recombinatieproces op te helderen, waarbij de cellen in staat waren om het genetische materiaal uit te wisselen. In de gevallen waarin de genen samen erfden, werd het DNA niet uitgewisseld vanwege de fysieke nabijheid van de genen.

Wat is homologe recombinatie?

Homologe recombinatie is een cellulair fenomeen dat betrekking heeft op de fysieke uitwisseling van DNA-sequenties tussen twee chromosomen. Recombinatie omvat een reeks genen die bekend staan ​​als genen rec. Deze code voor verschillende enzymen die bij het proces zijn betrokken.

DNA-moleculen worden als "homoloog" beschouwd wanneer ze vergelijkbare of identieke sequenties van meer dan 100 basenparen delen. DNA heeft kleine regio's die van elkaar kunnen verschillen en deze varianten staan ​​bekend als allelen.

In levende wezens wordt al het DNA beschouwd als recombinant DNA. De uitwisseling van genetisch materiaal tussen de chromosomen gebeurt continu, het mengen en herschikken van de genen in de chromosomen.

Dit proces komt duidelijk voor in meiose. Specifiek in de fase waarin de chromosomen zijn gepaard in de eerste celdeling. In dit stadium vindt de uitwisseling van genetisch materiaal tussen chromosomen plaats.

Historisch gezien wordt dit proces in de literatuur aangeduid met het Angelsaksische woord oversteken. Deze gebeurtenis is een van de resultaten van homologe recombinatie.

De frequentie van oversteken tussen twee genen van hetzelfde chromosoom hangt voornamelijk af van de afstand tussen de twee; hoe kleiner de fysieke afstand tussen hen, hoe lager de frequentie van de uitwisseling.

Functies en consequenties van homologe recombinatie

Het genetisch materiaal wordt voortdurend blootgesteld aan schade, veroorzaakt door endogene en exogene bronnen, zoals straling.

Geschat wordt dat menselijke cellen een aanzienlijk aantal laesies in DNA vertonen, in de orde van tientallen tot honderden per dag. Deze laesies moeten worden gerepareerd om mogelijke schadelijke mutaties, blokkades in replicatie en transcriptie en schade op chromosomaal niveau te voorkomen.

Vanuit medisch oogpunt resulteert DNA-schade die niet correct is gerepareerd in de ontwikkeling van tumoren en andere pathologieën.

Homologe recombinatie is een gebeurtenis die herstel in DNA mogelijk maakt, waardoor het herstel van verloren sequenties mogelijk wordt, waarbij als een sjabloon de andere DNA-streng wordt gebruikt (homoloog).

Dit metabolische proces is aanwezig in alle vormen van leven en biedt een mechanisme van high-fidelity dat het mogelijk maakt om "hiaten" in DNA, dubbelstrengige breuken en dwarsverbindingen tussen DNA-ketens te repareren.

Een van de meest relevante gevolgen van recombinatie is het genereren van nieuwe genetische variatie. Samen met mutaties zijn het de twee processen die variatie in levende wezens genereren - onthoud dat variatie het grondstof is voor evolutie.

Bovendien biedt het een mechanisme voor het opnieuw opstarten van gerepliceerde vorken die zijn beschadigd.

In bacteriën

In bacteriën zijn er frequente gebeurtenissen van horizontale genoverdracht. Deze worden geclassificeerd als conjugatie, transformatie en transductie. Hier halen prokaryoten DNA uit een ander organisme en zelfs uit verschillende soorten.

Tijdens deze processen vindt homologe recombinatie plaats tussen de ontvangende cel en de donorcel.

mechanisme

De homologe recombinatie begint met de breuk in een van de strengen van het chromosomale DNA-molecuul. Hierna vindt een reeks stappen plaats die gekatalyseerd wordt door meerdere enzymen.

Het 3'-uiteinde waar de snede plaatsvindt wordt binnengevallen door de dubbel homologe DNA-streng. Het invasieproces is cruciaal. Met "homologe keten" willen we verwijzen naar de delen van de chromosomen die dezelfde genen in een lineaire volgorde hebben, hoewel de nucleotidesequenties niet identiek hoeven te zijn.

synaps

Deze invasie van de streng plaatst de homologe chromosomen tegenover elkaar. Dit fenomeen van streng-ontmoeting wordt synapsis genoemd (niet te verwarren met synapsen in neuronen, hier wordt de term met een andere betekenis gebruikt).

De synaps impliceert niet noodzakelijkerwijs een direct contact tussen beide homologe sequenties, het DNA kan een tijd lang blijven bewegen totdat het het homologe deel vindt. Dit zoekproces wordt homologe uitlijning genoemd.

Vorming van de D-lus

Vervolgens vindt er een gebeurtenis plaats met de naam "invasie van de thread". Een chromosoom is een dubbele helix van DNA. Bij homologe recombinatie zoeken twee chromosomen naar hun homologe sequenties. In een van de helices scheiden de strengen zich en deze streng "binnenvalt" de dubbele helixstructuur, en vormt zo de structuur genaamd lus D.

De ketting van de D-lus is verplaatst door de invasie van de streng die de breuk weergeeft en paren met de complementaire streng van de originele dubbele helix.

Oprichting van Holliday-bonden

De volgende stap is de formatie van de Holliday-knooppunten. Hier zijn de uiteinden van de uitgewisselde draden gekoppeld. Deze unie heeft het vermogen om in elke richting te bewegen. De verbintenis kan bij meerdere gelegenheden worden verbroken en gevormd.

Het laatste proces van recombinatie is de oplossing van deze knooppunten en er zijn twee manieren waarop de cel het bereikt. Een daarvan is de splitsing van de unie of een proces dat dissolutie wordt genoemd, typisch voor eukaryote organismen.

In het eerste mechanisme regenereert het breken van de unie van Holliday twee ketens. In het andere geval van "ontbinding" treedt er een soort ineenstorting van de vereniging op.

Eiwitten betrokken

Een cruciaal eiwit van het recombinatieproces wordt Rad51 genoemd in eukaryotische cellen en RecA in Escherichia coli. Het werkt in de verschillende fasen van recombinatie: voor, tijdens en na de synaps.

Het Rad51-eiwit vergemakkelijkt de vorming van de fysieke verbinding tussen binnendringend DNA en gehard DNA. In dit proces wordt het heteroduplex-DNA gegenereerd.

Rad51, en zijn homoloog RecA, katalyseren de zoektocht naar homoloog DNA en de uitwisseling van DNA-strengen. Deze eiwitten hebben het vermogen om samen te werken met een enkelband-DNA.

Er zijn ook paralogische genen (afkomstig van gebeurtenissen van genduplicatie in een lijn van organismen) van Rad51, genaamd Rad55 en Rad57. Bij de mens zijn vijf Rad51 paralog genen genaamd Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 en Xrcc3 geïdentificeerd..

Afwijkingen geassocieerd met recombinatieprocessen

Omdat recombinatie fysieke binding in chromosomen vereist, is het een cruciale stap in correcte segregatie tijdens meiose. Als er geen adequate recombinatie optreedt, kan het resultaat een significante pathologie zijn.

De niet-disjunctie van chromosomen of fouten in segregatie is een van de meest voorkomende oorzaken van abortussen en anomalieën van chromosomale oorsprong, zoals de trisomie van chromosoom 21, die het syndroom van Down veroorzaakt.

Hoewel recombinatie meestal een vrij precies proces is, zijn de regio's van het genoom die worden herhaald en de genen die meerdere kopieën hebben langs het genoom elementen die gevoelig zijn voor ongelijke kruising.

Deze kruising produceert verschillende klinische kenmerken, waaronder frequente ziekten zoals thalassemie en autisme..

Toepassingen van recombinatie

Moleculaire biologen hebben gebruik gemaakt van de kennis van het mechanisme van homologe recombinatie voor het creëren van verschillende technologieën. Een daarvan maakt de oprichting van organismen mogelijk "overweldigend".

Deze genetisch gemodificeerde organismen laten toe om de functie van een gen van belang op te helderen.

Een van de methodologieën die worden gebruikt voor het maken van knockouts het bestaat uit de onderdrukking van de expressie van het specifieke gen dat het originele gen vervangt door een gewijzigde of "beschadigde" versie. Het gen wordt uitgewisseld voor de gemuteerde versie door middel van homologe recombinatie.

Andere soorten recombinatie

Naast homologe of legitieme recombinatie zijn er andere soorten genetisch materiaal uitwisseling.

Wanneer de gebieden van het DNA die het materiaal uitwisselen niet-allel zijn (van homologe chromosomen), is het resultaat de duplicatie of reductie van genen. Deze werkwijze staat bekend als niet-homologe recombinatie of ongelijke recombinatie.

Samen kan het genetische materiaal ook worden uitgewisseld tussen zusterchromatiden van hetzelfde chromosoom. Dit proces vindt plaats in zowel de meiotische als de mitotische divisie en wordt ongelijke uitwisselingen genoemd.

referenties

1. Baker, T.A., Watson, J.D., & Bell, S.P. (2003). Moleculaire biologie van het gen. Benjamin-Cummings Publishing Company.
2. Devlin, T. M. (2004). Biochemie: leerboek met klinische toepassingen. Ik draaide achteruit.
3. Jasin, M., & Rothstein, R. (2013). Reparatie van strengbreuken door homologe recombinatie. Cold Spring Harbor perspectieven in de biologie, 5(11), a012740.
4. Li, X., & Heyer, W. D. (2008). Homologe recombinatie bij DNA-reparatie en tolerantie voor DNA-schade. Celonderzoek, 18(1), 99-113.
5. Murray, P.R., Rosenthal, K.S., & Pfaller, M.A. (2017). Medische microbiologie. Elsevier Health Sciences.
6. Nussbaum, R.L., McInnes, R.R., & Willard, H.F. (2015). Thompson & Thompson genetica in e-boek voor medicijnen. Elsevier Health Sciences.
7. Virgili, R. O., & Taboada, J. M. V. (2006). Menselijk genoom: nieuwe vooruitgang in onderzoek, diagnose en behandeling. Edicions Universitat Barcelona.