Chcem vedieť všetko

Genetická rekombinácia

Pin
Send
Share
Send


Genetická rekombinácia je jedným z niekoľkých mechanizmov vedúcich k variácii pozorovanej v genetickom dedičstve odovzdávanom generáciám pohlavnou reprodukciou. Technicky povedané, genetická rekombinácia je transgénny genetický proces, pri ktorom sa kombinácie potomkov - ľubovoľných z mnohých životaschopných DNA kódujúcich ten istý gén pozorovaných v rôznych lokusoch (časť chromozómu) - u dvoch rodičov, premieňajú na potomstvo. jednotlivcov. Táto definícia sa bežne používa v klasickej transmisnej genetike, evolučnej biológii a populačnej genetike.

Takéto premiešanie môže byť výsledkom rekombinácie prostredníctvom intrachromozozomálnej rekombinácie alebo „kríženia“ a prostredníctvom interchromozozomálnej rekombinácie tiež nazývanej nezávislý sortiment. Rekombinácia preto iba zamieša už existujúcu genetickú variáciu a nevytvára novú variáciu na príslušných lokusoch.

Genetické rekombinácie sú základom zmien, ktoré sa vyskytujú počas evolúcie. V evolučnej biológii sa predpokladá, že genetická rekombinácia, či už je to inter- alebo intrachromozozomálna, má mnoho výhod. Najjednoduchšou výhodou je zabránenie degradácii DNA alebo „Mullerovej ráčne“. Mullerova ráčna je názov daný procesu, ktorým genómy asexuálnej populácie nevratným spôsobom akumulujú škodlivé mutácie (odtiaľ slovo ráčna) - proces, ktorý sa genómy sexuálnych populácií môžu vďaka rekombinácii ľahko zvrátiť.

Výsledkom rekombinácie je, že jednotlivci sa vyrábajú s novým sortimentom génov, čím sa zvyšuje skutočnosť, že jednotlivci produkovaní sexuálnou reprodukciou sa obvykle geneticky líšia navzájom od oboch rodičov. Genetická rekombinácia však zostáva nedostatočne pochopená.

Prejsť

Najmenej komplikovaným, aj keď nie celkom dobre pochopeným príkladom sexuálneho usporiadania DNA je základné prepínanie materskej a otcovskej DNA. K takému kríženiu dvoch chromozómov zdedených od rodičov dochádza počas meiózy. Jednoducho povedané, genetická informácia sa prenáša na chromozómoch, pričom jedna sada zdedila po otcovi, druhá sada zdedila po matke. Keď sa pár chromozómov počas vytvárania pohlavných buniek „rekombinuje“, v najjednoduchšom prípade sa genetická informácia o otcovskom chromozóme zmení s informáciou o materskom a naopak. Dva výsledné „dcérske“ chromozómy nie sú zhodné s pôvodnými rodičovskými chromozómami.

Na ďalšie vysvetlenie sexuálny reprodukčný cyklus zahŕňa zmenu diploidných buniek nesúcich dvojitú sadu chromozómov s haploidnými bunkami zahŕňajúcimi jednu sadu chromozómov. Diploidná zárodočná bunka, ktorá sa delí na haploidné pohlavné bunky, má dve kópie genómu, s jednou sadou každého chromozómu od samčieho rodiča a jednou sadou každého chromozómu od samičieho rodiča - každá ako dvojitá špirála, takže existuje zapojené štyri vlákna DNA. V priebehu procesu meiózy diploidná zárodočná bunka produkuje haploidné pohlavné bunky, ako sú vajíčka alebo spermie, ktoré majú jednu kópiu genómu alebo jednu sadu chromozómov ako jednu dvojitú špirálu. Je potrebné poznamenať, že počas meiózy dochádza k duplikácii (replikácia DNA) a párovaniu chromozómov pred delením buniek za vzniku haploidných buniek. Na dokončenie reprodukčného cyklu haploidné bunky od samčieho rodiča a samičieho rodiča sa pri oplodnení spoja, aby vytvorili nové diploidné bunky.

Proces genetickej rekombinácie alebo kríženia sa vyskytuje v štádiu tvorby pohlavných buniek (meióza), keď sú prítomné štyri kópie genómu (zahŕňajúce osem prameňov DNA), všetky navzájom zarovnané na osi vretena.

Holliday Junction

Tento tetraplexový alebo tetradový stav (kde je usporiadaných osem reťazcov DNA zo štyroch kópií každého chromozómu) trvá asi 15 minút (reprodukcia je vysoko konzervatívna - meióza vo všetkých organizmoch je v podstate rovnaká). Po chromozomálnej replikácii sú štyri dostupné chromatidy (dvojité kópie plne replikovaných chromozómov) navzájom pevne spojené. Počas tejto doby sa môžu homológne miesta na dvoch chromatidoch navzájom spájať a môžu si vymieňať genetické informácie. Ihneď po replikácii obsahuje tetrad vytvorený replikáciou dva páry dvoch identických chromatidov; po prekročení má každý zo štyroch chromatidov jedinečný súbor genetických informácií.

Zdá sa, že tento proces preskupovania, ktorý nie je dobre známy, zahŕňa veľa molekúl (RNA a proteín) rekombinázy). Enzýmy známe ako rekombinázy katalyzujú reakcie, ktoré umožňujú vznik kríženia. Rekombináza vytvára nick v jednom vlákne dvojitej skrutkovice DNA, čo umožňuje, aby sa nazvalené vlákno vytiahlo od svojho komplementárneho vlákna a naočkovalo sa jednému vláknu dvojitej skrutky na opačnom chromatide. Druhá prezývka umožňuje neuzavretému prameňu v druhej dvojitej špirále vytiahnuť sa a žíhať k zostávajúcemu prameňu v prvom, čím sa vytvorí štruktúra známa ako výmena medzi vláknami alebo „križovatka Holliday.“ Holliday križovatka je tetrahedrálna štruktúra, ktorú môžu „ťahať“ iné rekombinázy a pohybovať ju pozdĺž štvorvláknovej štruktúry.

Vedené týmto komplexom RNA a proteínov sa medzi týmito ôsmimi vláknami vyskytuje premenlivé množstvo rezania a prilepovania. Genetický materiál je organizovaný modulárnym spôsobom a premiešavanie zahŕňa tieto moduly. V súčasnosti je otvorenou otázkou, či je táto tetraplexová reorganizácia genetickej dedičnosti náhodná, ako by ju mala klasická veda, alebo či je dobre organizovaná a dobre navrhnutá ako metóda syntézy proteínov ako ribozóm-triplet.

Dobre charakterizovaný príklad takejto manipulácie DNA komplexmi RNA / proteín sa nachádza v programovaní protilátok pre nezrelé lymfocyty v imunitnom systéme. Toto je riadená variácia v dobre definovanom permutačnom priestore. Protilátkový program, ktorý nesie nezrelé lymfocyty, sa potom spracuje v prostredí virtuálneho tela generovanom týmusom. Ak program bežiaci v tejto virtuálnej realite rozpoznáva zložku tela, lymfocyt je zničený; inak sa aktivuje a uvoľňuje ako zrelá T-bunka.

Jednoduché a zložité prestavby genetických modulov

Táto manipulácia imunitného systému s modulmi DNA bola predmetom záujmu štúdie, pretože má veľký význam pre chorobu. Na druhej strane manipulácia s DNA v tetraplexnom štádiu nie je dobre charakterizovaná, ale základné princípy sú pravdepodobne podobné.

Najjednoduchším typom rekombinácie je kríženie, pri ktorom sa pretína prameň a potom sa rôzne znovu spájajú. Aj tento aspekt je vysoko modulárny; existujú horúce miesta, kde sa často vyskytuje prechod, a zakázané zóny, kde sa to nikdy nestane.

Najzložitejšie preskupenie genetických modulov sa vyskytuje počas špekulácie. Napríklad pozdĺž línie, ktorá sa líšila od ľudoopov k ľuďom, sa zlúčili dva chromozómy do jedného, ​​ľudský chromozóm dva, druhý najväčší. Takéto masívne zmeny a manipulácia genómu komplexom RNA-proteín nie sú dobre známe.

Dôsledky kríženia

Vo väčšine eukaryotov bunka nesie dve kópie každého génu, pričom každá DNA kódujúca gén sa označuje ako alela. Každý rodič odovzdá jednu alelu každému potomkovi. Aj bez rekombinácie obsahuje každá gameta (pohlavná bunka) náhodný sortiment chromatidov, pričom sa náhodne vyberá z každého dostupného páru chromatidov. Pri rekombinácii však môže gameta získať (väčšinou) náhodný sortiment jednotlivých génov, pretože každý chromozóm môže obsahovať genetické informácie z dvoch rôznych chromatidov.

Rekombinácia vedie k novému usporiadaniu materských a otcovských alel na rovnakom chromozóme. Aj keď sa rovnaké gény objavujú v rovnakom poradí, alely sú odlišné. Tento proces vysvetľuje, prečo potomstvo tých istých rodičov môže vyzerať tak odlišne. Týmto spôsobom je teoreticky možné mať akúkoľvek kombináciu rodičovských alel u potomkov a skutočnosť, že dve alely sa vyskytujú spoločne u jedného potomka, nemá žiadny vplyv na štatistickú pravdepodobnosť, že iný potomok bude mať rovnakú kombináciu. Táto teória „nezávislého sortimentu“ alel je základom genetickej dedičnosti. Existuje však výnimka, ktorá si vyžaduje ďalšiu diskusiu.

Frekvencia rekombinácie v skutočnosti nie je rovnaká pre všetky kombinácie génov. Je to tak preto, že rekombinácia je značne ovplyvnená blízkosťou jedného génu k druhému. Ak sú dva gény umiestnené blízko seba na chromozóme, pravdepodobnosť, že rekombinačná udalosť oddelí tieto dva gény, je menšia, ako keby boli od seba vzdialené. Genetická väzba opisuje tendenciu génov zdediť sa v dôsledku ich umiestnenia na rovnakom chromozóme. Väzbová nerovnováha opisuje situáciu, v ktorej sa niektoré kombinácie génov alebo genetických markerov vyskytujú v populácii častejšie, ako by sa očakávalo od ich vzdialeností. Tento koncept sa používa pri hľadaní génu, ktorý môže spôsobiť konkrétne ochorenie. Toto sa uskutočňuje porovnaním výskytu špecifickej sekvencie DNA so objavením sa choroby. Ak sa zistí vysoká korelácia medzi týmito dvoma, je pravdepodobné, že príslušná génová sekvencia je bližšia.

Iné typy preskupovania DNA (iné ako sexuálne)

K krížovej rekombinácii môže dôjsť medzi akýmikoľvek dvoma dvojitými helixmi DNA, ktoré sú veľmi blízko v sekvencii a prichádzajú do vzájomného kontaktu. Môže dôjsť k kríženiu medzi opakovaniami Alu na tom istom chromatide alebo medzi podobnými sekvenciami na dvoch úplne odlišných chromozómoch. Tieto procesy sa nazývajú nevyvážená rekombinácia. Nevyvážená rekombinácia je v porovnaní s normálnou rekombináciou pomerne zriedkavá, ale závažné problémy sa môžu vyskytnúť, ak sa gameta obsahujúca nevyvážené rekombinanty stane súčasťou zygoty. Potomkovia s ťažkou nevyváženosťou bývajú zriedkavo narodené.

V molekulárnej biológii rekombinácie sa všeobecne vzťahuje na molekulárny proces, ktorým sa genetická variácia zistená spojená na dvoch rôznych miestach v súvislej časti DNA rozpadne (zamieša). V tomto procese sa jeden alebo obidva genetické varianty nahradia rôznymi variantmi nachádzajúcimi sa na rovnakých dvoch miestach v druhej molekule DNA. Jedným z mechanizmov vedúcich k takejto molekulárnej rekombinácii je chromozomálny prechod cez. Takéto premiešanie variácie je tiež možné medzi duplikovanými lokusmi v tej istej molekule DNA. Ak proces miešania zmení počet lokusov v každej z rekombinantných molekúl, hovorí sa o „nevyváženej“ rekombinácii alebo nerovnomernom krížení.

Pri konzervatívnej miestne špecifickej rekombinácii je mobilný prvok DNA vložený do reťazca DNA spôsobmi podobnými tomu, ktoré sa pozorovalo pri skrížení. Segment DNA na mobilnom prvku sa presne zhoduje so segmentom DNA v cieli, čo umožňuje volanie enzýmov integráza vložiť zvyšok pohyblivého prvku do terča.

Ďalšia forma miestne špecifickej rekombinácie, transpozičnej rekombinácie, nevyžaduje zhodný reťazec DNA v mobilnom prvku, aby sa zhodoval s cieľovou DNA. Namiesto toho zapojené integrázy zavádzajú jamky ako do mobilného elementu, tak do cieľovej DNA, čo umožňuje mobilnej DNA vstúpiť do sekvencie. Jamky sa potom odstránia ligázami.

Referencie

  • Alberts, B. a kol., Molekulárna biológia bunky, 3. vydanie. Garland Publishing, 1994.
  • Mayerhofer R, Koncz-Kalman Z, Nawrath C, Bakkeren G, Crameri A, Angelis K, Redei GP, Schell J, Hohn B, Koncz C. Integrácia T-DNA: režim nelegitímnej rekombinácie v rastlinách. EMBO J. 1991 Mar; 10 (3): 697-704.
  • Tento článok obsahuje materiál z časopisu Science Primer, ktorý uverejňuje NCBI, ktorý je ako publikácia vlády USA verejne prístupný na adrese //www.ncbi.nlm.nih.gov/About/disclaimer.html.

Pin
Send
Share
Send