פונקציות רקומבינציה הומולוגיים, מנגנון ויישומים

ה הומולוגיים רקומבינציה זהו תהליך הכרוך בחילופי מולקולות דנ"א בין חלקים דומים או זהים של הגנום. התאים משתמשים רקומבינציה הומולוגיים בעיקר עבור תיקון של הפסקות החומר הגנטי, יצירת וריאציה גנטית של אוכלוסיות.

באופן כללי, רקומבינציה הומולוגית פירושה זיווג פיזי בין אזורים הומולוגיים של החומר הגנטי, ואחריו שבירת השרשראות שעומדות לעבור את חילופי הדברים, ולבסוף איחוד של מולקולות הדנ"א החדשות המשולבות.

יש לתקן את ההפסקות בדנ"א במהירות וביעילות. כאשר הנזקים אינם מתוקנים, התוצאות יכולות להיות רציניות ואפילו קטלניות. בחיידקים, הפונקציה העיקרית של רקומבינציה הומולוגית היא לתקן את ההפסקות הללו בחומר הגנטי.

רקומבינציה הומולוגית נחשב לאחד המנגנונים העיקריים המאפשרים את היציבות של הגנום. הוא קיים בכל תחומי החיים ואפילו בווירוסים, ולכן יש להניח שמדובר במנגנון חיוני שהופיע מוקדם מאוד באבולוציה של החיים.

אינדקס

• 1 נקודת מבט היסטורית
• 2 מהו recombination הומולוגיים?
• 3 פונקציות והשלכות של רקומבינציה הומולוגיים
  • 3.1 בחיידקים
• 4 מנגנון
  • 4.1 סינפסות
  • 4.2 הכשרת הלולאה D
  • 4.3 הקמת איגוד הולידיי
  • 4.4 חלבונים המעורבים
• 5 הפרעות הקשורות תהליכי רקומבינציה
• 6 יישומים של רקומבינציה
• סוגים אחרים של רקומבינציה
• 8 הפניות

נקודת מבט היסטורית

אחד העקרונות הרלוונטיים ביותר שהציע גרגור מנדל הוא עצמאות בהפרדת הדמויות. על פי חוק זה, הגנים השונים עוברים מהורים לילדים באופן עצמאי.

עם זאת, בשנת 1900 ניכר קיומם של חריגים בולטים מאוד לעיקרון זה. הגנטיקאים האנגליים, בייטסון ופאנט, הוכיחו כי פעמים רבות דמויות מסוימות עוברות בירושה, ולמאפיינים אלה אין לעקרון של מנדל תוקף.

מחקרים מאוחרים יותר הצליחו להבהיר את קיומו של תהליך רקומבינציה, שבו התאים הצליחו להחליף את החומר הגנטי. במקרים שבהם הגנים ירשו יחד, הדנ"א לא הוחלף בגלל הקרבה הפיזית בין הגנים.

מה זה רקומבינציה הומולוגיים?

רקומבינציה הומולוגית היא תופעה סלולרית הכוללת את ההחלפה הפיזית של רצפי דנ"א בין שני כרומוזומים. רקומבינציה כוללת מערכת של גנים הידועים כגנים REC. קוד זה עבור אנזימים שונים המעורבים בתהליך.

מולקולות DNA נחשבות "הומולוגיות" כאשר הן משתפות רצפים דומים או זהים של יותר מ -100 זוגות בסיס. ל- DNA יש אזורים קטנים שיכולים להיות שונים זה מזה, וריאנטים אלה ידועים כאללים.

ביצורים חיים, כל הדנ"א נחשב לדנ"א רקומביננטי. החלפת החומר הגנטי בין הכרומוזומים מתרחשת באופן רציף, ערבוב וסידור מחדש של הגנים בכרומוזומים.

תהליך זה מתרחש ללא ספק במיוזה. באופן ספציפי בשלב שבו כרומוזומים משויכים חלוקת התא הראשון. בשלב זה, חילופי החומר הגנטי בין כרומוזומים מתרחשת.

מבחינה היסטורית, תהליך זה מיועד לספרות המשתמשת במילה האנגלו-סקסית מעבר. אירוע זה הוא אחד התוצאות של רקומבינציה הומולוגיים.

תדירות מעבר בין שני גנים של אותו כרומוזום תלוי בעיקר המרחק בין השניים; ככל שמרחק הפיזי ביניהם קטן יותר, כך תדירות החליפין נמוכה יותר.

פונקציות והשלכות של רקומבינציה הומולוגיים

החומר הגנטי חשוף כל הזמן לנזק, הנגרם על ידי מקורות אנדוגניים ואקסוגניים, כגון קרינה, למשל.

ההערכה היא כי תאים אנושיים מציגים מספר משמעותי של נגעים ב- DNA, בסדר גודל של עשרות עד מאות ביום. נגעים אלה צריכים להיות לתיקון כדי למנוע מוטציות מזיקות פוטנציאליים, חסימות שכפול תעתיק ונזק ברמה כרומוזומלית.

מנקודת מבט רפואית, נזק ל- DNA שאינו מתוקן גורם לתוצאות של גידולים ופאתולוגיות אחרות.

רקומבינציה הומולוגית היא אירוע המאפשר תיקון ב- DNA, המאפשר התאוששות של רצפים אבודים, תוך שימוש בתבנית את גדיל ה- DNA השני (הומולוגיים).

תהליך מטבולי זה קיים בכל צורות החיים, ומספק מנגנון של נאמנות גבוהה המאפשר לתקן "פערים" ב- DNA, הפסקות דו-גדילות וקישורים הדדיים בין שרשראות ה- DNA.

אחת התוצאות הרלוונטיות ביותר של רקומבינציה היא הדור של וריאציה גנטית חדשה. יחד עם מוטציות, הם שני התהליכים שיוצרים וריאציה של יצורים חיים - זכור כי וריאציה היא חומר גלם לאבולוציה.

בנוסף, הוא מספק מנגנון להפעלה מחדש של מזלגות שכפול שנפגעו.

בחיידקים

בחיידקים, ישנם אירועים תכופים של העברת גנים אופקית. אלה מסווגים כמו הצמידה, טרנספורמציה התמרה. הנה, prokaryotes לקחת דנ"א מאורגניזם אחר, ואפילו ממין שונה.

במהלך תהליכים אלה, recombination הומולוגיים מתרחשת בין תא המקבל לתא התורם.

מנגנון

ההרכבה ההומולוגית מתחילה עם ההפסקה באחד מחוטי המולקולה של הדנ"א הכרומוזומלי. לאחר מכן, סדרה של צעדים מזרז על ידי אנזימים מרובים להתרחש.

את 3'-end שבו לחתוך מתרחשת הוא פלשו על ידי כפול DNA הומולוגיים הדדי. תהליך הפלישה הוא חיוני. עם "שרשרת הומולוגית" אנחנו רוצים להתייחס לחלקים של הכרומוזומים שיש להם את אותם גנים בסדר ליניארי, אם כי רצפי נוקליאוטידים אינם חייבים להיות זהים.

סינפסות

הפלישה הזאת לגדילה מציבה את הכרומוזומים ההומולוגיים המתמודדים זה מול זה. תופעה זו של מפגש גדיל נקראת סינפסיס (לא להתבלבל עם סינפסות בנוירונים, כאן המונח משמש למשמעות אחרת).

הסינפסה לא בהכרח מרמזת על קשר ישיר בין שני הרצפים ההומולוגיים, הדנ"א יכול להמשיך לנוע במשך זמן עד שהוא מוצא את החלק ההומיולוגי. תהליך חיפוש זה נקרא יישור הומולוגי.

גיבוש של לולאה D

ואז, אירוע שנקרא "הפלישה של החוט" מתרחשת. כרומוזום הוא סליל כפול של דנ"א. ב recombination הומולוגיים שני כרומוזומים לחפש רצפים הומולוגיים שלהם. באחד הסלילים, הגדילים נפרדים זה גדיל "פולש" מבנה הסליל הכפול, ויצרו את המבנה שנקרא לולאה D.

שרשרת לולאה D נעקרו על ידי הפלישה של גדילה המציג את הקרע ואת זוגות עם גדיל משלימה של הסליל הכפול המקורי.

גיבוש איגודי הולידיי

השלב הבא הוא היווצרות של צמתים הולידיי. כאן, הקצוות של החוטים המחליפים מקושרים. לאיחוד זה יש יכולת לנוע לכל כיוון. האיחוד יכול להיות שבור ויצרו בהזדמנויות רבות.

התהליך הסופי של רקומבינציה הוא הפתרון של צמתים אלה ויש שתי דרכים או דרכים שבהן התא משיגה את זה. אחד מהם הוא מחיצת האיגוד או תהליך הנקרא פירוק, אופייני לאורגניזמים אאוקריוטים.

במנגנון הראשון, שבירת האיחוד של הולידיי מחדשת שתי רשתות. במקרה השני של "פירוק" מתרחשת סוג של קריסה באיחוד.

חלבונים המעורבים

חלבון מכריע של תהליך רקומבינציה נקרא Rad51 בתאים אוקריוטים, ו RecA ב Escherichia coli. זה עובד בשלבים שונים של רקומבינציה: לפני, במהלך ואחרי הסינפסה.

חלבון ה- Rad51 מאפשר את היווצרות הקשר הפיזי בין דנ"א פולש לדנ"א ממוזג. בתהליך זה נוצר הדנ"א heteroduplex.

Rad51 והומוולוג שלו, מזרזים את החיפוש אחר דנ"א הומוגני וחילופי גדילי דנ"א. חלבונים אלה יש את היכולת להצטרף בשיתוף פעולה עם הלהקה DNA יחיד.

יש גם גנים פרלוגיים (שמקורם באירועים של שכפול גנים בשושלת של אורגניזמים) של ראד 51, המכונה Rad55 ו- Rad57. בבני אדם, 5 גנים של פרלוג Rad51, הנקראים Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 ו- Xrcc3 זוהו..

הפרעות הקשורות בתהליכי רקומבינציה

כמו רקומבינציה דורש מחייב פיזי בכרומוזומים, זה צעד מכריע הפרדה נכונה במהלך המיוזה. אם רקומבינציה מספקת אינה מתרחשת, התוצאה יכולה להיות פתולוגיה משמעותית.

אי-הפרדת הכרומוזומים או השגיאות בהפרדה היא אחת הסיבות השכיחות ביותר להפלות ולמונומים של מקור כרומוזומלי, כגון טריזומיה של כרומוזום 21, הגורמת לתסמונת דאון.

למרות רקומבינציה היא בדרך כלל תהליך מדויק למדי, את האזורים של הגנום כי חוזרים על עצמם ועל גנים שיש להם עותקים מרובים לאורך הגנום הם אלמנטים נוטה לא שוויונית מעבר.

זה interbreeding מייצרת תכונות קליניות שונות, כולל מחלות תכופות כגון thalassemia ו אוטיזם..

יישומים של רקומבינציה

ביולוגים מולקולריים ניצלו את הידע של המנגנון של רקומבינציה הומולוגיים ליצירת טכנולוגיות שונות. אחד מאלה מאפשר יצירת אורגניזמים "נוק אאוט".

אלה אורגניזמים מהונדסים גנטית מאפשרים להבהיר את הפונקציה של גן של עניין.

אחת המתודולוגיות המשמשות ליצירת נוק-אאוט זה מורכב של דיכוי הביטוי של הגן הספציפי להחליף את הגן המקורי עם גרסה שונה או "פגום". הגן מוחלף בגרסה מוטציה באמצעות רקומבינציה הומולוגית.

סוגים אחרים של רקומבינציה

בנוסף רקומבינציה הומולוגית או לגיטימית, ישנם סוגים אחרים של חילופי חומר גנטי.

כאשר אזורי הדנ"א שמחליפים את החומר אינם אללים (של כרומוזומים הומולוגיים) התוצאה היא שכפול או צמצום של גנים. תהליך זה ידוע בשם recombination לא הומולוגיים או רקומבינציה לא שווים.

יחד, החומר הגנטי יכול גם להיות מוחלף בין כרומטידים אחותו של הכרומוזום אותו. תהליך זה מתרחש בחלוקה המיוטית והמיטוטית, והוא נקרא חילופי לא שוויונית.

הפניות

1. בייקר, ט 'א', ווטסון, ג 'יי, בל &, ס' פ '(2003). ביולוגיה מולקולרית של הגן. בנימין-קאמינגס.
2. Devlin, T. M. (2004). ביוכימיה: ספר לימוד עם יישומים קליניים. היפוךתי.
3. Jasin, M., & Rothstein, R. (2013). תיקון מעברי גדיל על ידי רקומבינציה הומולוגיים. פרספקטיבות הקרה ספרינג הארבור בביולוגיה, 5(11), a012740.
4. Li, X., & Heyer, W. D (2008). רקומבינציה הומולוגית בתיקון ה- DNA וסובלנות נזק ל- DNA. מחקר נייד, 18(1), 99-113.
5. מוריי, P.R., רוזנטל, K.S., & Pfaller, M. (2017). מיקרוביולוגיה רפואית. Elsevier מדעי הבריאות.
6. Nussbaum, R. L., McInnes, R. R., & Willard, H. F. (2015). תומפסון & תומפסון גנטיקה ברפואה הספר האלקטרוני. Elsevier מדעי הבריאות.
7. וירגילי, ר 'א', & Taboada, ג 'יי מ' V. (2006). הגנום האנושי: התקדמות חדשה במחקר, אבחון וטיפול. Edicions אוניברסיטה ברצלונה.