RECOMBINARE GENETICĂ: TIPURI ȘI MECANISME - BIOLOGIE - 2025

Recombinare genetică este procesul prin care moleculele de fragmente de acid nucleic schimbate generând o nouă moleculă. Este foarte frecvent în ADN, dar ARN este, de asemenea, un substrat pentru recombinare. Recombinarea este, după mutație, cea mai importantă sursă de generare a variabilității genetice.

ADN-ul participă la diferite procese biochimice. În timpul replicării, acesta servește ca un șablon pentru generarea a două noi molecule de ADN. În transcriere, este posibilă generarea de molecule de ARN din regiuni specifice controlate de un promotor.

Etapele generale ale recombinării ADN-ului. Juergen Bode, prin Wikimedia Commons

În plus, ADN-ul este capabil să facă schimb de fragmente. Prin acest proces generează noi combinații care nu sunt produsul celor două procese anterioare și nici fertilizarea.

Tot procesul de recombinare implică ruperea și unirea moleculelor de ADN care participă la proces. Acest mecanism variază în funcție de substratul de recombinare, de enzimele care participă la proces și de mecanismul de execuție al acestuia.

Recombinarea depinde, în general, de existența unor regiuni complementare, similare (dacă nu identice) sau omologe între moleculele recombinate. În cazul în care moleculele se recombină în procese care nu sunt ghidate de omologie, se spune că recombinarea este neomologă.

Dacă omologia implică o regiune foarte scurtă prezentă în ambele molecule, se consideră că recombinarea este specifică sitului.

Definiție

Ceea ce numim omologie în recombinare nu se referă neapărat la originea evolutivă a moleculelor participante. Mai degrabă, vorbim despre gradul de asemănare în secvența de nucleotide.

Recombinarea nereparativă, de exemplu, apare la eucariote în timpul procesului de meioză. Fără îndoială, nu poate exista o omologie mai mare decât între perechile de cromozomi din aceeași celulă.

De aceea sunt numiți cromozomi omologi. Cu toate acestea, există cazuri în care ADN-ul unei celule schimbă material cu un ADN străin. Aceste ADN-uri trebuie să fie foarte asemănătoare cu recombina, dar nu trebuie neapărat să împărtășească același strămoș (omologie) pentru a realiza acest lucru.

Chiasm și crossover

Locul de atașare și schimb între două molecule de ADN se numește chiasm, iar procesul în sine se numește reticulare. În timpul crossover-ului se verifică un schimb de bandă între ADN-urile participante.

Aceasta generează un cointegrat, care sunt două molecule de ADN unite fizic într-una. Când cointegrarea „se rezolvă”, sunt generate două molecule, în general schimbate (recombinate).

A „rezolva”, în contextul recombinării, înseamnă a separa moleculele de ADN componente ale unui cointegrat.

Tipuri de recombinare genetică

-Recombinare specifică locului

În recombinarea specifică sitului, două molecule de ADN, în general neomologe, au o secvență scurtă comună ambelor. Această secvență este ținta unei enzime specifice de împletire.

Enzima, capabilă să recunoască această secvență și nu alta, o taie la un anumit loc în ambele molecule. Cu ajutorul altor alți factori, schimbă benzile de ADN ale celor două molecule participante și formează o cointegrare.

Escherichia coli

Aceasta este baza pentru formarea cointegrării dintre genomul bacteriei Escherichia coli și cel al bacteriofagului lambda. Un bacteriofag este un virus care infectează bacteriile.

Formarea acestui cointegrat este realizată de o enzimă codificată în genomul virusului: lambda integrase. Recunoaște o secvență comună numită attP în genomul circular al virusului, și attB în cea a bacteriei.

Prin tăierea ambelor secvențe în ambele molecule, generează segmente libere, schimbă benzile și se alătură celor două genomuri. Se formează apoi un cerc mai mare sau cointegrat.

În cointegrare, genomul virusului este transportat pasiv de genomul bacterian, cu care se reproduce. În această stare se spune că virusul se află în starea provirusului și că bacteria este lizogenă pentru acesta.

Procesul invers, adică rezoluția cointegrării, poate dura multe generații - sau chiar nu se pot produce. Cu toate acestea, a face acest lucru este mediatat enzimatic de o altă proteină codificată de genomul virusului numit excizaza. Când se întâmplă acest lucru, virusul se separă de cointegrare, se reactivează și provoacă liza celulară.

-Recombinare omologă

Recombinare generalizată

Recombinarea omologă are loc între moleculele de ADN care au cel puțin aproximativ 40 de nucleotide cu o similaritate completă sau aproape completă. Pentru a realiza procesul de recombinare, trebuie să fie implicată cel puțin o endonuclează.

Endonucleazele sunt enzime care fac tăieri interne în ADN. Unii o fac pentru a proceda la degradarea ADN-ului. Alții, ca în cazul recombinării, o fac pentru a genera o proteză în ADN.

Acest nick unic permite procesarea ADN-ului cu o singură bandă cu un capăt liber. Acest capăt liber, orientat de o recombinaza, permite unei singure benzi să invadeze un ADN dublu, deplasând banda rezidentă identică cu aceasta.

Acesta este punctul de trecere între o moleculă de ADN donator („invadator”) și un alt receptor.

Enzima (recombinaza) care realizează procesul de invazie și schimb de benzi în Escherichia coli se numește RecA. Există alte proteine ​​omoloage în procariote, cum ar fi RadA în arhaea. În eucariote, enzima echivalentă se numește RAD51.

Odată ce banda invazivă deplasează rezidentul, interacționează cu banda care a rămas simplă în molecula donatorului. Ambele site-uri sunt sigilate prin acțiunea unei ligaze.

Acum avem ADN bandă hibridă (o bandă donator și o bandă receptoare, de la diferite origini) flancate de ADN-ul donator și ADN-ul receptor. Punctele crossover (chiasmata) se mișcă în ambele direcții cu cel puțin 200 bp.

Fiecare punct de încrucișare formează ceea ce este cunoscut sub numele de structura Holliday (produsul ADN cruciform al unui eveniment de recombinare).

Acest ADN cruciform trebuie rezolvat prin alte endonucleaze. ADN-ul chimer sau hibrid al acestei structuri poate fi rezolvat în două moduri. Dacă a doua tăiere endonucleotidă are loc în aceeași bandă ca și prima, nu se produce recombinarea. Dacă a doua tăiere are loc în cealaltă bandă, produsele rezultate sunt recombinate.

ADN recombinant în structura Holliday. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Mao-4armjunction-schematic.png.

Recombinarea V (D) J

Acesta este un tip de recombinare somatică (nu miiotică) care contribuie la generarea în enorma variabilitate a anticorpilor sistemului imunitar.

Această recombinare are loc în special fragmente din gene care codifică lanțurile polipeptidice care le definesc. Este realizat de celulele B și implică diferite regiuni genetice.

Interesant este că există paraziți precum Trypanosoma brucei care folosesc un mecanism similar de recombinare pentru a crea variabilitatea într-un antigen de suprafață. În acest fel, ei pot sustrage răspunsul gazdei dacă gazda nu reușește să genereze anticorpul capabil să recunoască antigenul „nou”.

Diversitate de anticorpi creați prin recombinare. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Cambio_clase_recombinacion.PNG

-Nu este recombinat omolog

În cele din urmă, există procese de recombinare care nu depind de similitudinea în secvența moleculelor participante. În eucariote, de exemplu, recombinarea capetelor neomologe este foarte importantă.

Acest lucru se întâmplă cu fragmente de ADN care prezintă rupturi de bandă dublă în ADN. Acestea sunt „reparate” de celula care le unește cu alte fragmente, de asemenea, cu pauze de bandă dublă.

Cu toate acestea, aceste molecule nu trebuie neapărat să fie similare pentru a participa la acest proces de recombinare. Adică, prin repararea daunelor, celula se poate alătura ADN-urilor fără legătură, creând astfel o moleculă cu adevărat nouă (recombinantă).

Importanța recombinării

Importanța ca cauză: replicarea și repararea ADN-ului

Recombinarea asigură fidelitatea informațiilor ADN în timpul și după procesul de replicare. Recombinarea detectează deteriorarea ADN-ului în timpul noului proces de bandaj în această macromoleculă extrem de lungă.

Deoarece fiecare bandă are propriile informații, precum și cea a complementară, recombinarea garantează că nu se pierde niciuna. Fiecare acționează ca martor al celuilalt. În mod similar, în organismele diploide, un cromozom omolog este martor la fratele său și invers.

Pe de altă parte, după ce ADN-ul a fost replicat, mecanismele de reparare a deteriorării acestei molecule sunt variate. Unele sunt directe (prejudiciul este acționat direct), iar altele sunt indirecte.

Mecanismele de reparare indirectă depind de recombinare. Adică, pentru a repara deteriorarea unei molecule de ADN, se folosește o altă moleculă omologă. Aceasta ar acționa în recombinarea reparativă ca un șablon din care a suferit pagube.

În consecință, importanța: generarea variabilității genetice

Recombinarea este capabilă să creeze o variabilitate enormă a cromozomilor în timpul meiozei. Recombinarea somatică generează, de asemenea, variabilitate, ca în cazul anticorpilor la vertebrate.

În multe organisme meioza este gametică. În organismele care reproduc sexual, recombinarea se dovedește a fi una dintre cele mai puternice modalități de a genera variabilitate.

Adică, la mutația spontană și la segregarea cromozomilor, recombinarea trebuie adăugată ca un alt element care generează variabilitatea gametică.

Integrarea genomelor bacteriofagului prin recombinare specifică sitului, pe de altă parte, a contribuit la remodelarea genomului bacteriilor gazdă.

Aceasta a contribuit la generarea variabilității și a evoluției genomice a acestui grup important de ființe vii.

Recombinare și sănătate

Am văzut deja că ADN-ul poate fi reparat, dar nu ceea ce îl dăunează. În realitate, aproape orice poate deteriora ADN-ul, începând cu replicarea defectuoasă care nu este corectată.

Dar, dincolo de asta, ADN-ul poate fi deteriorat de lumina UV, radiațiile ionizante, radicalii liberi de oxigen produși prin respirația celulară și ceea ce mâncăm, fumăm, respirăm, ingerăm sau atingem.

Din fericire, nu trebuie să renunți la viață pentru a proteja ADN-ul. Anumite lucruri trebuie renunțate, dar marea muncă este realizată chiar de celula. Aceste mecanisme de detectare a daunelor aduse ADN-ului și reparației acestuia au, evident, o bază genetică, iar deficiența lor, consecințe enorme.

Bolile legate de defectele din recombinarea omologă includ, de exemplu, sindroamele Bloom și Werner, cancerul de sân familial și ovarian etc.

Referințe

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (ediția a 6-a). WW Norton & Company, New York, NY, SUA.
2. Bell, JC, Kowalczykowski, SC (2016) Mecanica și interogarea cu o singură moleculă a recombinării ADN-ului. Revizuirea anuală a biochimiei, 85: 193-226.
3. Prado, F. () Recombinare omologă: pentru furcă și nu numai. Gene, doi: 10.3390 / gene9120603
4. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). O introducere în analiza genetică (ediția a 11-a). New York: WH Freeman, New York, NY, SUA.
5. Tock, AJ, Henderson, IR (2018) Hotspots pentru inițierea recombinării meiotice. Frontiers in Genetics, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) A Prophages in Salmonella enterica: o forță motrice în redimensionarea genomului și a fiziologiei gazdei lor bacteriene? Microbiologie moleculară, doi: 10.1111 / mmi.14167.
7. Wright, WD, Shah, SS, Heyer, WD (2018) Recombinarea omologă și repararea pauzelor ADN cu două fire. Journal of Biological Chemistry, 293: 10524-10535