GENETIK REKOMBINASYON: TÜRLERI VE MEKANIZMALARI - BIYOLOJI - 2025

Genetik rekombinasyon nükleik asit fragmanlarının molekülleri yeni bir molekül oluşturmak alışverişinde olan bir süreçtir. DNA'da çok yaygındır, ancak RNA aynı zamanda rekombinasyon için bir substrattır. Rekombinasyon, mutasyondan sonra genetik değişkenliğin en önemli oluşum kaynağıdır.

DNA, farklı biyokimyasal süreçlere katılır. Replikasyon sırasında, iki yeni DNA molekülünün üretimi için bir şablon görevi görür. Transkripsiyonda, bir promoter tarafından kontrol edilen belirli bölgelerden RNA molekülleri üretmeyi mümkün kılar.

DNA rekombinasyonunun genel adımları. Juergen Bode, Wikimedia Commons aracılığıyla

Ancak buna ek olarak, DNA aynı zamanda parçaları değiştirebilir. Bu işlemle, önceki iki işlemin veya gübrelemenin ürünü olmayan yeni kombinasyonlar üretir.

Tüm rekombinasyon süreci, sürece katılan DNA moleküllerinin kırılmasını ve birleştirilmesini içerir. Bu mekanizma, rekombinasyon substratına, sürece katılan enzimlere ve yürütme mekanizmasına bağlı olarak değişir.

Rekombinasyon genellikle rekombinasyon molekülleri arasında tamamlayıcı, benzer (özdeş değilse) veya homolog bölgelerin varlığına bağlıdır. Moleküllerin homoloji tarafından yönlendirilmeyen süreçlerde yeniden birleşmeleri durumunda, rekombinasyonun homolog olmadığı söylenir.

Homoloji, her iki molekülde de bulunan çok kısa bir bölgeyi içeriyorsa, rekombinasyonun bölgeye özgü olduğu söylenir.

Tanım

Rekombinasyonda homoloji dediğimiz şey, katılan moleküllerin evrimsel kökenine atıfta bulunmaz. Aksine, nükleotid dizisindeki benzerlik derecesinden bahsediyoruz.

Onarıcı olmayan rekombinasyon, örneğin, mayoz işlemi sırasında ökaryotlarda meydana gelir. Kuşkusuz, aynı hücredeki kromozom çiftleri arasında olduğundan daha büyük bir homoloji olamaz.

Bu yüzden homolog kromozomlar olarak adlandırılırlar. Bununla birlikte, bir hücrenin DNA'sının yabancı bir DNA ile materyal değiştirdiği durumlar vardır. Bu DNA'lar yeniden birleştirmeye çok benzemelidir, ancak bunu başarmak için mutlaka aynı atayı (homoloji) paylaşmaları gerekmez.

Chiasm ve crossover

İki DNA molekülü arasındaki bağlanma ve değişim bölgesine kiazma denir ve sürecin kendisine çapraz bağlama denir. Geçiş sırasında katılan DNA'lar arasında bir bant değişimi doğrulanır.

Bu, fiziksel olarak tek bir DNA molekülünde birleşmiş iki DNA molekülü olan bir eşbütünleşme oluşturur. Eşbütünleşme "çözüldüğünde", iki molekül üretilir, genellikle değişir (rekombinant).

Rekombinasyon bağlamında "çözmek", bir eş-bütünlüğün bileşen DNA moleküllerini ayırmaktır.

Genetik rekombinasyon türleri

Siteye özgü rekombinasyon

Bölgeye özgü rekombinasyonda, genellikle homolog olmayan iki DNA molekülü, her ikisi için ortak olan kısa bir diziye sahiptir. Bu dizi, belirli bir ekleme enziminin hedefidir.

Bu diziyi tanıyabilen ve diğerini tanımayan enzim, onu her iki molekülde de belirli bir yerde keser. Diğer bazı faktörlerin yardımıyla, katılan iki molekülün DNA bantlarını değiştirir ve bir eşbütünleşme oluşturur.

Escherichia coli

Bu, Escherichia coli bakterisinin genomu ile bakteriyofaj lambda'nın genomu arasındaki eşbütünleşmenin oluşumunun temelidir. Bakteriyofaj, bakterileri enfekte eden bir virüstür.

Bu eş bütünlüğün oluşumu, virüs genomunda kodlanan bir enzim tarafından gerçekleştirilir: lambda integraz. Virüsün dairesel genomundaki attP ve bakterininkindeki attB adlı ortak bir diziyi tanır.

Her iki moleküldeki her iki diziyi de keserek, serbest bölümler oluşturur, bantları değiştirir ve iki genomu birleştirir. Daha sonra daha büyük veya eşbütünleşik bir daire oluşturulur.

Eşbütünleşmede virüs genomu, kopyaladığı bakteri genomu tarafından pasif olarak taşınır. Bu haldeyken virüsün provirüs durumunda olduğu ve bunun için bakterinin lizojenik olduğu söylenir.

Tersi süreç, yani eşbütünleşmenin çözünürlüğü birçok nesil sürebilir - hatta gerçekleşmeyebilir. Bununla birlikte, bunu yapmak, eksizyonaz adı verilen virüs genomu tarafından kodlanan başka bir protein tarafından enzimatik olarak aracılık edilir. Bu olduğunda, virüs eşbütünleşmeden ayrılır, yeniden aktive olur ve hücre lizizine neden olur.

-Homolog rekombinasyon

Genelleştirilmiş rekombinasyon

Homolog rekombinasyon, tam veya neredeyse tam benzerliğe sahip en az yaklaşık 40 nükleotidi paylaşan DNA molekülleri arasında meydana gelir. Rekombinasyon sürecini gerçekleştirmek için en az bir endonükleazın dahil edilmesi gerekir.

Endonükleazlar, DNA'da dahili kesikler yapan enzimlerdir. Bazıları bunu DNA'yı bozmaya devam etmek için yapar. Diğerleri, rekombinasyon durumunda olduğu gibi, bunu DNA'da bir çukur oluşturmak için yapar.

Bu benzersiz nick, tek bantlı bir DNA'nın serbest bir uçla işlenmesine izin verir. Bir rekombinaz tarafından yönlendirilen bu serbest uç, tek bir bandın bir çift DNA'yı işgal etmesine izin vererek, kendisiyle aynı olan yerleşik bandı yerinden oynatır.

Bu, bir donör ("istilacı") DNA molekülü ile başka bir reseptör arasındaki geçiş noktasıdır.

Escherichia coli'de istila ve bant değişim sürecini gerçekleştiren enzime (rekombinaz) RecA adı verilir. Arkeada RadA gibi prokaryotlarda başka homolog proteinler de vardır. Ökaryotlarda eşdeğer enzime RAD51 adı verilir.

İnvaziv bant sakini yerinden ettiğinde, verici molekülde basit bırakılan bantla etkileşime girer. Her iki bölge de bir ligazın etkisiyle kapatılır.

Şimdi, donör DNA ve alıcı DNA ile çevrili hibrit bant DNA'mız (farklı kökenlerden bir verici bant ve bir alıcı bant) var. Geçiş noktaları (chiasmata) her iki yönde de en az 200 bp hareket eder.

Her çapraz geçiş noktası, Holliday yapısı (bir rekombinasyon olayının haç biçimli DNA ürünü) olarak bilinen şeyi oluşturur.

Bu haç biçiminde DNA, diğer endonükleazlar tarafından çözülmelidir. Bu yapının kimerik veya hibrit DNA'sı iki şekilde çözülebilir. İkinci endonükleotid kesiği, birinci ile aynı bantta meydana gelirse, hiçbir rekombinasyon meydana gelmez. İkinci kesim diğer bantta meydana gelirse, ortaya çıkan ürünler rekombinanttır.

Holliday yapısındaki rekombinant DNA. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Mao-4armjunction-schematic.png.

Rekombinasyon V (D) J

Bu, bağışıklık sisteminin muazzam değişkenlikteki antikorlarının oluşumuna katkıda bulunan bir tür somatik rekombinasyondur (mayotik değil).

Bu rekombinasyon, onları tanımlayan polipeptit zincirlerini kodlayan genlerin belirli parçalarında gerçekleşir. B hücreleri tarafından gerçekleştirilir ve farklı genetik bölgeleri içerir.

İlginç bir şekilde, bir yüzey antijeninde değişkenlik yaratmak için benzer bir rekombinasyon mekanizması kullanan Trypanosoma brucei gibi parazitler vardır. Bu şekilde, konakçı "yeni" antijeni tanıyabilen antikoru üretmede başarısız olursa, konakçının tepkisinden kaçabilirler.

Rekombinasyonla oluşturulan antikor çeşitliliği. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Cambio_clase_recombinacion.PNG

-Homolog olmayan rekombinasyon

Son olarak, katılan moleküllerin dizisindeki benzerliğe bağlı olmayan rekombinasyon süreçleri vardır. Ökaryotlarda, örneğin, homolog olmayan uçların rekombinasyonu çok önemlidir.

Bu, DNA'da çift bant kırılmaları gösteren DNA parçalarında meydana gelir. Bunlar hücre tarafından diğer fragmanlara çift bantlı kopmalarla birleştirilerek "onarılır".

Bununla birlikte, bu moleküllerin bu rekombinasyon sürecine katılmaları için mutlaka benzer olmaları gerekmez. Yani, hasarı onararak, hücre ilgisiz DNA'ları birleştirebilir, böylece gerçekten yeni (rekombinant) bir molekül yaratabilir.

Rekombinasyonun önemi

Sebep olarak önemi: DNA replikasyonu ve onarımı

Rekombinasyon, replikasyon işlemi sırasında ve sonrasında DNA bilgilerinin doğruluğunu sağlar. Rekombinasyon, bu son derece uzun makromoleküldeki yeni bantlama işlemi sırasında DNA hasarını tespit eder.

Her bir bandın kendi ve tamamlayıcı bilgisine sahip olması nedeniyle, rekombinasyon hiçbirinin kaybolmamasını garanti eder. Her biri diğerine tanıklık ediyor. Benzer şekilde, diploid organizmalarda, homolog bir kromozom, kardeşine tanık olur ve bunun tersi de geçerlidir.

Öte yandan, DNA kopyalandığında, bu molekülün hasar onarım mekanizmaları çeşitlenir. Bazıları doğrudan (yaralanma doğrudan hareket edilir) ve diğerleri dolaylıdır.

Dolaylı onarım mekanizmaları, meydana gelecek rekombinasyona bağlıdır. Yani bir DNA molekülündeki hasarı onarmak için başka bir homolog molekül kullanılır. Bu, hasara uğradığı bir şablon olarak onarıcı rekombinasyonda hareket edecektir.

Sonuç olarak önemi: Genetik değişkenliğin oluşumu

Rekombinasyon, mayoz bölünme sırasında muazzam kromozom değişkenliği yaratabilir. Somatik rekombinasyon, omurgalılarda antikorlar durumunda olduğu gibi değişkenlik de yaratır.

Birçok organizmada mayoz, gametiktir. Eşeyli üreyen organizmalarda, rekombinasyon, değişkenlik yaratmanın en güçlü yollarından biri olarak ortaya çıkıyor.

Yani, spontan mutasyona ve kromozom ayrışmasına, gametik değişkenliği üreten başka bir unsur olarak rekombinasyon eklenmelidir.

Bakteriyofaj genomlarının bölgeye özgü rekombinasyonla entegrasyonu, diğer taraftan, konakçı bakterilerin genomunun yeniden şekillenmesine katkıda bulunmuştur.

Bu, bu önemli canlılar grubunun genomik çeşitliliğinin ve evriminin oluşumuna katkıda bulunmuştur.

Rekombinasyon ve sağlık

DNA'nın tamir edilebileceğini zaten görmüştük, ama ona zarar veren şeyin olmadığını. Gerçekte, hemen hemen her şey, düzeltilmeden giden hatalı replikasyondan başlayarak DNA'ya zarar verebilir.

Ancak bunun ötesinde, DNA, UV ışığı, iyonlaştırıcı radyasyon, hücresel solunumdan gelen serbest oksijen radikalleri ve yediğimiz, içtiğimiz, soluduğumuz, yuttuğumuz veya dokunduğumuz şeylerden zarar görebilir.

Neyse ki, DNA'yı korumak için yaşamaktan vazgeçmenize gerek yok. Bazı şeylerden vazgeçilmesi gerekiyor ama büyük iş hücre tarafından yapılıyor. DNA'daki hasarı ve onarımını tespit etmek için kullanılan bu mekanizmalar, açıkça genetik bir temele ve eksikliklerine, muazzam sonuçlara sahiptir.

Homolog rekombinasyondaki kusurlarla ilgili hastalıklar arasında, örneğin, Bloom ve Werner sendromları, ailesel göğüs ve yumurtalık kanseri vb. Yer alır.

Referanslar

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6th Edition). WW Norton & Company, New York, NY, ABD.
2. Bell, JC, Kowalczykowski, SC (2016) DNA rekombinasyonunun mekaniği ve tek moleküllü sorgulaması. Biyokimyanın Yıllık İncelemesi, 85: 193-226.
3. Prado, F. () Homolog Rekombinasyon: Çatal ve Ötesine. Genler, doi: 10.3390 / genes9120603
4. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). Genetik Analize Giriş (11. baskı). New York: WH Freeman, New York, NY, ABD.
5. Tock, AJ, Henderson, IR (2018) Meiotic Recombination Başlangıcı için Sıcak Noktalar. Genetikte Sınırlar, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) Salmonella enterica'da Bir Kehanet: bakteriyel konaklarının genomunu ve fizyolojisini yeniden şekillendirmede itici bir güç mü? Moleküler Mikrobiyoloji, doi: 10.1111 / mmi.14167.
7. Wright, WD, Shah, SS, Heyer, WD (2018) Homolog rekombinasyon ve DNA çift iplikli kırılmaların onarımı. Biyolojik Kimya Dergisi, 293: 10524-10535