RECOMBINAREA OMOLOGĂ: FUNCȚII, MECANISM ȘI APLICAȚII - BIOLOGIE - 2025

Recombinarea omologă este un proces care implică schimbul de molecule de ADN între secțiuni similare sau identice ale genomului. Celulele folosesc recombinarea omologă în principal pentru a repara pauzele materialului genetic, generând variații genetice la populații.

În general, recombinarea omologă implică împerecherea fizică între zonele omologe ale materialului genetic, urmată de spargerea lanțurilor care vor fi supuse schimbului și, în final, unirea noilor molecule de ADN combinate.

Recombinarea între doi cromozomi omologi.
Sursa: Emw

Pauzele în ADN trebuie reparate cât mai rapid și eficient. Când pagubele nu sunt reparate, consecințele pot fi grave și chiar letale. În bacterii, funcția principală a recombinării omoloage este de a repara aceste pauze în materialul genetic.

Recombinarea omologă este considerată unul dintre principalele mecanisme care permit stabilitatea genomului. Este prezent în toate domeniile vieții și chiar la viruși, deci este probabil un mecanism vital care a apărut foarte devreme în evoluția vieții.

Perspectiva istorica

Unul dintre cele mai relevante principii propuse de Gregor Mendel constă în independența în segregarea personajelor. Conform acestei legi, diferitele gene sunt transmise de la părinte la copil independent.

Cu toate acestea, în 1900 existența unor excepții foarte marcate de la acest principiu a fost evidentă. Geneticienii englezi Bateson și Punnett au arătat că de multe ori anumite trăsături sunt moștenite împreună, iar pentru aceste trăsături, principiul enunțat de Mendel nu are nicio valabilitate.

Cercetările ulterioare au reușit să elucideze existența procesului de recombinare, în care celulele erau capabile să facă schimb de material genetic. În cazurile în care genele moștenite împreună, ADN-ul nu a fost schimbat din cauza apropierii fizice dintre gene.

Ce este recombinarea omologă?

Recombinarea omologă este un fenomen celular care implică schimbul fizic de secvențe de ADN între doi cromozomi. Recombinarea implică un set de gene cunoscute sub denumirea de gene rec. Aceste coduri pentru diferite enzime care participă la proces.

Moleculele de ADN sunt considerate „omoloage” atunci când împărtășesc secvențe similare sau identice a mai mult de 100 de perechi de baze. ADN-ul are regiuni mici care pot diferi unele de altele, iar aceste variante sunt cunoscute sub numele de alele.

În ființele vii, tot ADN-ul este considerat ADN recombinant. Schimbul de material genetic între cromozomi are loc continuu, amestecând și rearanjând genele pe cromozomi.

Acest proces apare evident în meioză. Mai exact în faza în care cromozomii se împerechează în prima diviziune celulară. În această etapă are loc schimbul de material genetic între cromozomi.

Istoric, acest proces este desemnat în literatura de specialitate folosind cuvântul anglo-saxon care trece peste. Acest eveniment este unul dintre rezultatele recombinării omoloage.

Frecvența traversării între două gene ale aceluiași cromozom depinde în principal de distanța dintre ele; cu cât distanța fizică este mai mică, cu atât frecvența de schimb este mai mică.

Funcțiile și consecințele recombinării omoloage

Materialul genetic este expus constant la daune, cauzate de surse endogene și exogene, cum ar fi radiațiile, de exemplu.

Se estimează că celulele umane au un număr semnificativ de leziuni de ADN, de ordinul a zeci până la sute pe zi. Aceste leziuni trebuie reparate pentru a evita potențialele mutații dăunătoare, blocurile de replicare și transcripție și deteriorarea la nivel cromozomial.

Din punct de vedere medical, daunele ADN care nu sunt reparate corect duc la dezvoltarea tumorilor și a altor patologii.

Recombinarea omologă este un eveniment care permite repararea în ADN, permițând recuperarea secvențelor pierdute, folosind celălalt șir (omolog) de ADN ca șablon.

Acest proces metabolic este prezent în toate formele de viață, oferind un mecanism de înaltă fidelitate care permite repararea „golurilor” în ADN, pauze cu două catenele și legături încrucișate între catenele ADN.

Una dintre cele mai relevante consecințe ale recombinării este generarea de noi variații genetice. Împreună cu mutațiile, ele sunt cele două procese care generează variație la ființele vii - amintiți-vă că variația este materia primă pentru evoluție.

În plus, oferă un mecanism pentru resetarea furcilor de replicare care au fost corupte.

În bacterii

În bacterii, există frecvente evenimente de transfer de gene orizontale. Acestea sunt clasificate ca conjugare, transformare și transducție. Aici, procariotele iau ADN de la un alt organism, și chiar de la diferite specii.

În timpul acestor procese, recombinarea omologă are loc între celula primitoare și celula donatoare.

Mecanism

Recombinarea omologă începe cu ruperea unuia dintre șuvițele moleculei de ADN cromozomiale. După aceasta, apar o serie de pași catalizați de mai multe enzime.

Capătul de 3 'unde are loc tăierea este invadat de dublul fir omolog de ADN. Procesul de invazie este crucial. Prin „lanț omolog” ne referim la porțiunile cromozomilor care au aceleași gene într-o ordine liniară, deși secvențele de nucleotide nu trebuie să fie identice.

synapse

Această invazie a șuviței plasează cromozomi omologi față unul de celălalt. Acest fenomen de întâlnire a firelor se numește sinapsă (nu trebuie confundat cu sinapsa din neuroni, aici termenul este folosit cu un alt sens).

Sinapsă nu implică neapărat un contact direct între ambele secvențe omologe, ADN-ul poate continua să se miște o perioadă până când va găsi porțiunea omologă. Acest proces de căutare se numește aliniere omologă.

Formarea buclei D

Apoi, apare un eveniment numit „invazie de șuviță”. Un cromozom este o dublă helixă a ADN-ului. În recombinarea omologă, doi cromozomi își caută secvențele omoloage. Într-una dintre elice, șuvițele se separă și această șuviță „invadează” structura cu dublă helix, formând structura numită bucla D.

Curea D-bucla a fost deplasată de invazia catenelor de rupere și a perechilor cu șuvița complementară a helixului dublu original.

Formarea joncțiunii Holliday

Următorul pas este formarea sindicatelor Holliday. Aici, capetele șirurilor schimbate sunt legate între ele. Această uniune are capacitatea de a se deplasa în orice direcție. Articulația se poate rupe și forma de mai multe ori.

Procesul final de recombinare este rezolvarea acestor uniuni și există două moduri sau modalități prin care celula realizează acest lucru. Unul dintre ele este clivajul unirii sau printr-un proces numit dizolvare, tipic pentru organismele eucariote.

În primul mecanism, ruperea joncțiunii Holliday regenerează două lanțuri. În celălalt eveniment de „dizolvare”, un fel de colaps are loc în uniune.

Proteine ​​implicate

O proteină crucială în procesul de recombinare se numește Rad51 în celulele eucariote, iar RecA în Escherichia coli. Acționează în diferitele faze de recombinare: înainte, în timpul și după sinapsă.

Proteina Rad51 facilitează formarea conexiunii fizice între ADN-ul invadator și ADN-ul temperat. În acest proces este generat ADN-ul heteroduplex.

Rad51, și omologul său RecA, catalizează căutarea ADN-ului omolog și schimbul de catene de ADN. Aceste proteine ​​au capacitatea de a se lega cooperativ de ADN-ul cu o singură bandă.

Există, de asemenea, gene paraloage (provenite din evenimentele de duplicare a genelor într-o linie de organisme) ale Rad51, numite Rad55 și Rad57. La om, au fost identificate cinci gene paralogice Rad51 numite Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 și Xrcc3.

Anomalii asociate proceselor de recombinare

Deoarece recombinarea necesită legare fizică de cromozomi, este un pas crucial în segregarea corespunzătoare în timpul meiozei. Dacă nu se produce recombinarea corectă, rezultatul poate fi o patologie majoră.

Nondisuncția cromozomilor sau erorile în segregare este una dintre cele mai frecvente cauze ale avorturilor și anomaliilor de origine cromozomială, cum ar fi trisomia cromozomului 21, care determină sindromul Down.

Deși recombinarea este de obicei un proces destul de precis, regiunile genomului care se repetă și genele care au mai multe copii pe întregul genom sunt predispuse la crossover inegal.

Această întrepătrundere produce diferite trăsături relevante din punct de vedere clinic, inclusiv boli comune, cum ar fi talasemia și autismul.

Aplicații de recombinare

Biologii moleculari au profitat de cunoașterea mecanismului de recombinare omologă pentru a crea tehnologii diferite. Unul dintre acestea permite crearea de organisme „knockout”.

Aceste organisme modificate genetic fac posibilă elucidarea funcției unei gene de interes.

Una din metodologiile utilizate pentru crearea knock-out-urilor constă în suprimarea expresiei genei specifice prin înlocuirea genei originale cu o versiune modificată sau „deteriorată”. Gena este schimbată pentru versiunea mutată prin recombinarea omologă.

Alte tipuri de recombinare

Pe lângă recombinarea omologă sau legitimă, există și alte tipuri de schimb de material genetic.

Atunci când regiunile ADN-ului care schimbă materialul sunt non-alelice (cromozomi omologi), rezultatul este duplicarea sau reducerea genelor. Acest proces este cunoscut sub numele de recombinare neomologă sau recombinare inegală.

Împreună, materialul genetic poate fi, de asemenea, schimbat între cromatide surori pe același cromozom. Acest proces are loc atât în ​​diviziunea meiotică, cât și în cea mitotică și se numește schimb inegal.

Referințe

1. Baker, TA, Watson, JD, & Bell, SP (2003). Biologia moleculară a genei. Editura Benjamin-Cummings.
2. Devlin, TM (2004). Biochimie: manual cu aplicații clinice. Am inversat.
3. Jasin, M., & Rothstein, R. (2013). Repararea rupturilor catenelor prin recombinare omologă. Cold Spring Harbor perspective în biologie, 5 (11), a012740.
4. Li, X., & Heyer, WD (2008). Recombinarea omologă în repararea ADN și toleranța la ADN. Cercetare celulară, 18 (1), 99-113.
5. Murray, PR, Rosenthal, KS, & Pfaller, MA (2017). Microbiologie medicală. Științele sănătății Elsevier
6. Nussbaum, RL, McInnes, RR și Willard, HF (2015). Thompson & Thompson genetica în medicină e-book. Științele sănătății Elsevier
7. Virgili, RO, & Taboada, JMV (2006). Genomul uman: noi progrese în cercetare, diagnostic și tratament. Ediții Universitat Barcelona.