Rekombinacja genetyczna - Genetic recombination

Obecny model rekombinacji mejotycznej, inicjowanej przez pęknięcie lub przerwę w dwóch niciach, po której następuje parowanie z homologicznym chromosomem i inwazją nici w celu zainicjowania rekombinacyjnego procesu naprawy. Naprawa luki może prowadzić do skrzyżowania (CO) lub braku skrzyżowania (NCO) obszarów oskrzydlających. Uważa się, że rekombinacja CO zachodzi w modelu Double Holliday Junction (DHJ), przedstawionym po prawej stronie powyżej. Uważa się, że rekombinanty NCO występują głównie w modelu Synthesis Dependent Strand Annealing (SDSA), przedstawionym po lewej stronie powyżej. Większość zdarzeń rekombinacyjnych wydaje się być typu SDSA.

Rekombinacja genetyczna (znana również jako przetasowanie genetyczne ) to wymiana materiału genetycznego między różnymi organizmami, która prowadzi do wytworzenia potomstwa z kombinacjami cech, które różnią się od tych występujących u któregokolwiek z rodziców. U eukariontów rekombinacja genetyczna podczas mejozy może prowadzić do nowego zestawu informacji genetycznej, którą można przekazać od rodziców potomstwu. Większość rekombinacji zachodzi naturalnie.

Podczas mejozy u eukariontów rekombinacja genetyczna obejmuje parowanie homologicznych chromosomów . Po tym może nastąpić transfer informacji między chromosomami. Transfer informacji może nastąpić bez fizycznej wymiany (sekcja materiału genetycznego jest kopiowana z jednego chromosomu na drugi, bez zmiany chromosomu dawcy) (patrz ścieżka SDSA na ryc.); lub przez zerwanie i ponowne połączenie nici DNA , co tworzy nowe cząsteczki DNA (patrz ścieżka DHJ na rysunku).

Rekombinacja może również wystąpić podczas mitozy u eukariotów, gdzie zwykle obejmuje dwa chromosomy siostrzane utworzone po replikacji chromosomów. W tym przypadku nie powstają nowe kombinacje alleli, ponieważ chromosomy siostrzane są zwykle identyczne. W mejozie i mitozie dochodzi do rekombinacji między podobnymi cząsteczkami DNA ( sekwencje homologiczne ). W mejozie chromosomy homologiczne, które nie są siostrzane, łączą się ze sobą tak, że między homologami niesiostrymi zachodzi charakterystyczna rekombinacja. Zarówno w komórkach mejotycznych, jak i mitotycznych, rekombinacja między homologicznymi chromosomami jest powszechnym mechanizmem stosowanym w naprawie DNA .

Konwersja genów - proces, w którym sekwencje homologiczne są identyczne, również podlega rekombinacji genetycznej.

Rekombinacja genetyczna i rekombinacyjna naprawa DNA występują również u bakterii i archeonów , które wykorzystują rozmnażanie bezpłciowe .

Rekombinacja może być sztucznie indukowana w warunkach laboratoryjnych ( in vitro ), wytwarzając zrekombinowany DNA do celów, w tym do opracowania szczepionki .

Rekombinacja V(D)J w organizmach z adaptacyjnym układem odpornościowym jest rodzajem specyficznej dla miejsca rekombinacji genetycznej, która pomaga komórkom odpornościowym szybko różnicować się w celu rozpoznawania i adaptacji do nowych patogenów .

Synapsis

Podczas mejozy synapsa (parowanie chromosomów homologicznych) zwykle poprzedza rekombinację genetyczną.

Mechanizm

Rekombinacja genetyczna jest katalizowana przez wiele różnych enzymów . Rekombinazy są kluczowymi enzymami, które katalizują etap przenoszenia nici podczas rekombinacji. RecA , główna rekombinaza występująca w Escherichia coli , jest odpowiedzialna za naprawę pęknięć podwójnej nici DNA (DSB). W drożdżach i innych organizmach eukariotycznych do naprawy DSB potrzebne są dwie rekombinazy. RAD51 białka wymagane do mitozy i mejozy rekombinacji, natomiast białka naprawy uszkodzeń DNA, DMC1 , jest specyficzny dla mejozy rekombinacji. W archeowców The ortholog bakteryjnego białka Reca jest rada.

Rekombinacja bakteryjna

W bakteriach znajdują się:

  • regularna rekombinacja bakteryjna , a także nieefektywny transfer materiału genetycznego wyrażona jako
  • nieudany transfer lub nieudany transfer, który jest dowolnym transferem bakteryjnego DNA biorców komórek dawcy , którzy umieścili przychodzące DNA jako część materiału genetycznego biorcy. Nieudany transfer został zarejestrowany w następującej transdukcji i koniugacji. We wszystkich przypadkach transmitowany fragment jest rozcieńczany przez wzrost hodowli.

Krzyżowanie chromosomów

Ilustracja Thomasa Hunta Morgana przedstawiająca przejście (1916)

U eukariontów rekombinację podczas mejozy ułatwia skrzyżowanie chromosomów . Proces krzyżowania prowadzi do tego, że potomstwo ma różne kombinacje genów niż ich rodzice i może czasami wytwarzać nowe chimeryczne allele . Tasowanie genów wywołane rekombinacją genetyczną prowadzi do zwiększonej zmienności genetycznej . Pozwala także organizmów rozmnażających się płciowo, aby uniknąć zapadka Mullera , w których genomy od An bezpłciowego populacji akumuluj delecji genetycznych w nieodwracalny sposób.

Krzyżowanie chromosomów obejmuje rekombinację sparowanych chromosomów odziedziczonych po każdym z rodziców, zwykle występującą podczas mejozy . Podczas profazy I (etap pachytenu) cztery dostępne chromatydy są ze sobą w ścisłej formacji. W tej formacji miejsca homologiczne na dwóch chromatydach mogą ściśle sparować się ze sobą i mogą wymieniać informacje genetyczne.

Ponieważ rekombinacja może wystąpić z małym prawdopodobieństwem w dowolnym miejscu na chromosomie, częstość rekombinacji między dwoma lokalizacjami zależy od odległości je dzielącej. Dlatego w przypadku genów dostatecznie odległych na tym samym chromosomie ilość krzyżowania jest wystarczająco duża, aby zniszczyć korelację między allelami .

Śledzenie ruchu genów w wyniku krzyżowania okazało się bardzo przydatne dla genetyków. Ponieważ dwa geny, które są blisko siebie, są mniej podatne na rozdzielenie niż geny, które są od siebie oddalone, genetycy mogą z grubsza wywnioskować, jak daleko od siebie znajdują się dwa geny na chromosomie, jeśli znają częstotliwość krzyżowania. Genetycy mogą również użyć tej metody do wywnioskowania obecności pewnych genów. Mówi się, że geny, które zazwyczaj pozostają razem podczas rekombinacji, są połączone. Jeden gen w połączonej parze może czasami być używany jako marker do wywnioskowania obecności innego genu. Jest to zwykle stosowane w celu wykrycia obecności genu powodującego chorobę.

Częstotliwość rekombinacji pomiędzy dwoma obserwowanymi loci jest wartością przejścia . Jest to częstość krzyżowania między dwoma powiązanymi loci genów ( markery ) i zależy od wzajemnej odległości obserwowanych loci genetycznych . Dla dowolnego ustalonego zestawu warunków genetycznych i środowiskowych, rekombinacja w określonym regionie struktury sprzężenia ( chromosom ) ma tendencję do bycia stałą i to samo dotyczy wartości krzyżowania, która jest wykorzystywana do tworzenia map genetycznych .

Konwersja genów

W konwersji genów fragment materiału genetycznego jest kopiowany z jednego chromosomu na drugi, bez zmiany chromosomu dawcy. Konwersja genów występuje z dużą częstotliwością w miejscu zdarzenia rekombinacji podczas mejozy . Jest to proces, w którym sekwencja DNA jest kopiowana z jednej helisy DNA (która pozostaje niezmieniona) do innej helisy DNA, której sekwencja jest zmieniona. Konwersję genów często badano w krzyżówkach grzybów, gdzie można dogodnie obserwować 4 produkty poszczególnych mejozy. Zdarzenia konwersji genów można odróżnić jako odchylenia w indywidualnej mejozie od normalnego wzorca segregacji 2:2 (np. wzorca 3:1).

Rekombinacja niehomologiczna

Rekombinacja może wystąpić pomiędzy sekwencjami DNA, które nie wykazują homologii sekwencji . Może to powodować translokacje chromosomowe , czasami prowadzące do raka.

W komórkach B

Komórki B z układu odpornościowego przeprowadzić rekombinację genetyczną, zwanej immunoglobuliny przełączanie klas . Jest to mechanizm biologiczny, który zmienia przeciwciało z jednej klasy na inną, na przykład z izotypu zwanego IgM na izotyp zwany IgG .

Inżynieria genetyczna

W inżynierii genetycznej rekombinacja może również odnosić się do sztucznej i celowej rekombinacji odrębnych fragmentów DNA, często pochodzących z różnych organizmów, tworzących tzw. rekombinowane DNA . Doskonałym przykładem takiego zastosowania rekombinacji genetycznej jest celowanie genowe , które można wykorzystać do dodania, usunięcia lub innej zmiany genów organizmu. Ta technika jest ważna dla badaczy biomedycznych, ponieważ pozwala im badać działanie określonych genów. Techniki oparte na rekombinacji genetycznej są również stosowane w inżynierii białek do opracowywania nowych białek o znaczeniu biologicznym.

Naprawa rekombinacyjna

Uszkodzenia DNA powodowane przez różne czynniki egzogenne (np. światło UV , promieniowanie rentgenowskie , chemiczne czynniki sieciujące ) mogą być naprawiane przez naprawę homologiczną rekombinacyjną (HRR). Odkrycia te sugerują, że uszkodzenia DNA powstałe w wyniku naturalnych procesów , takich jak kontakt z reaktywnymi formami tlenu, które są produktami ubocznymi normalnego metabolizmu, są również naprawiane przez HRR. U ludzi niedobory produktów genów niezbędnych do HRR podczas mejozy prawdopodobnie powodują niepłodność. U ludzi niedobory produktów genów niezbędnych do HRR, takich jak BRCA1 i BRCA2 , zwiększają ryzyko zachorowania na raka (patrz : zespół niedoboru naprawy DNA ).

W bakteriach transformacja jest procesem przenoszenia genów, który zwykle zachodzi między poszczególnymi komórkami tego samego gatunku bakterii. Transformacja obejmuje integrację DNA dawcy do chromosomu biorcy przez rekombinację. Proces ten wydaje się być adaptacją do naprawy uszkodzeń DNA w chromosomie biorcy przez HRR. Transformacja może przynieść korzyść chorobotwórczym bakteriom, umożliwiając naprawę uszkodzeń DNA, szczególnie uszkodzeń, które występują w zapalnym, utleniającym środowisku związanym z infekcją gospodarza.

Gdy dwa lub więcej wirusów, z których każdy zawiera śmiertelne uszkodzenia genomu, infekuje tę samą komórkę gospodarza, genomy wirusa często mogą się ze sobą sparować i podlegać HRR w celu wytworzenia żywotnego potomstwa. Proces ten, określany jako reaktywacja wielokrotności, był badany w bakteriofagach lambda i T4 , a także w kilku patogennych wirusach. W przypadku wirusów patogennych, reaktywacja wielokrotności może stanowić korzyść adaptacyjną wirusa, ponieważ umożliwia naprawę uszkodzeń DNA spowodowanych ekspozycją na środowisko utleniające wytwarzane podczas infekcji gospodarza. Zobacz także reasortyment .

Rekombinacja mejotyczna

Modele molekularne rekombinacji mejotycznej ewoluowały przez lata w miarę gromadzenia odpowiednich dowodów. Główną zachętą do opracowania fundamentalnego zrozumienia mechanizmu rekombinacji mejotycznej jest to, że takie zrozumienie jest kluczowe dla rozwiązania problemu adaptacyjnej funkcji płci, głównego nierozwiązanego problemu w biologii. Niedawny model, który odzwierciedla obecne rozumienie, został przedstawiony przez Andersona i Sekelsky'ego i jest przedstawiony na pierwszym rysunku w tym artykule. Rysunek pokazuje, że dwie z czterech chromatyd obecnych we wczesnej mejozie (profaza I) są ze sobą sparowane i mogą wchodzić w interakcje. Rekombinacja, w tej wersji modelu, jest inicjowana przez dwuniciowe pęknięcie (lub przerwę) pokazane w cząsteczce DNA (chromatydzie) na górze pierwszej figury w tym artykule. Jednak inne rodzaje uszkodzeń DNA mogą również inicjować rekombinację. Na przykład, usieciowanie między nićmi (spowodowane ekspozycją na środek sieciujący, taki jak mitomycyna C) może być naprawione przez HRR.

Jak wskazano na pierwszej figurze, powyżej, wytwarzane są dwa rodzaje rekombinowanego produktu. Po prawej stronie wskazano typ „crossover” (CO), w którym regiony flankujące chromosomów są wymieniane, a po lewej stronie typ „non-crossover” (NCO), w którym regiony flankujące nie są wymieniane. Rekombinacja typu CO obejmuje pośrednie tworzenie dwóch „połączeń Holliday'a” wskazanych w prawym dolnym rogu figury przez dwie struktury w kształcie litery X, w każdej z których zachodzi wymiana pojedynczych nici między dwiema uczestniczącymi chromatydami. Szlak ten jest oznaczony na rysunku jako szlak DHJ (podwójne połączenie Holliday'a).

Rekombinanty NCO (przedstawione po lewej stronie na rysunku) są wytwarzane w procesie określanym jako „wyżarzanie zależne od syntezy” (SDSA). Wydaje się, że zdarzenia rekombinacyjne typu NCO/SDSA są bardziej powszechne niż typu CO/DHJ. Szlak NCO/SDSA w niewielkim stopniu przyczynia się do zmienności genetycznej, ponieważ ramiona chromosomów flankujące zdarzenie rekombinacji pozostają w konfiguracji rodzicielskiej. Zatem wyjaśnienia adaptacyjnej funkcji mejozy, które skupiają się wyłącznie na przejściu, są niewystarczające do wyjaśnienia większości zdarzeń rekombinacji.

Achiasmia i heterochiasmia

Achiasmia to zjawisko, w którym rekombinacja autosomalna jest całkowicie nieobecna u jednej płci gatunku. Achiazmatyczna segregacja chromosomów jest dobrze udokumentowana u samców Drosophila melanogaster . Heterochiasmia występuje, gdy tempo rekombinacji różni się w zależności od płci gatunku. Ten dymorfizm płciowy w tempie rekombinacji zaobserwowano u wielu gatunków. U ssaków samice najczęściej mają wyższy wskaźnik rekombinacji. „Haldane-Huxley zasada” stwierdza, że achiasmy zwykle występuje w Płeć Heterozygotyczna .

Rekombinacja wirusa RNA

Wiele wirusów RNA jest zdolnych do rekombinacji genetycznej, gdy co najmniej dwa genomy wirusowe są obecne w tej samej komórce gospodarza. Rekombinacja wirusa RNA zachodzi podczas odwrotnej transkrypcji i odbywa się za pośrednictwem enzymu odwrotnej transkryptazy. Rekombinacja występuje, gdy odwrotna transkryptaza przeskakuje z jednego genomu RNA wirusa do drugiego genomu RNA wirusa, co skutkuje zdarzeniem „przełączenia matrycy” i pojedynczą nić DNA, która zawiera sekwencje z obu genomów wirusowego RNA. Rekombinacja jest w dużej mierze odpowiedzialna za różnorodność wirusów RNA i unikanie odporności. Rekombinacja RNA wydaje się być główną siłą napędową w określaniu architektury genomu i przebiegu ewolucji wirusa wśród pikornawirusów ( (+)ssRNA ) (np. wirus polio ). U retroviridae ((+)ssRNA) (np. HIV ) wydaje się, że podczas odwrotnej transkrypcji unika się uszkodzeń genomu RNA poprzez zamianę nici, formę rekombinacji.

Rekombinacja zachodzi również w reoviridae (dsRNA) (np. reowirus), orthomyxoviridae ((-)ssRNA) (np. wirus grypy ) i coronaviridae ((+)ssRNA) (np. SARS ).

Rekombinacja w wirusach RNA wydaje się być adaptacją do radzenia sobie z uszkodzeniem genomu. Przełączanie między nićmi matrycy podczas replikacji genomu, określane jako rekombinacja typu kopia-wybór, było pierwotnie proponowane w celu wyjaśnienia pozytywnej korelacji zdarzeń rekombinacji na krótkich dystansach w organizmach z genomem DNA (patrz pierwsza rycina, ścieżka SDSA ). Model wymuszonego wyboru kopii sugeruje, że odwrotna transkryptaza przechodzi zmianę matrycy, gdy napotka nacięcie w sekwencji wirusowego RNA. Zatem model wymuszonego wyboru kopii sugeruje, że rekombinacja jest wymagana dla integralności i przetrwania wirusa, ponieważ jest on w stanie skorygować uszkodzenia genomu w celu wytworzenia prowirusowego DNA. Inny model rekombinacji sprzeciwia się temu pomysłowi i zamiast tego proponuje, że rekombinacja występuje sporadycznie, gdy dwie domeny odwrotnej transkryptazy, RNAza H i polimeraza, różnią się szybkością działania. To wypycha enzym odwrotnej transkryptazy z jednej nici RNA na drugą. Ten drugi model rekombinacji nazywany jest modelem dynamicznego wyboru. Badanie przeprowadzone przez Rawsona i in. ustalili, że oba modele rekombinacji są prawidłowe w rekombinacji HIV-1 i że rekombinacja jest niezbędna do replikacji wirusa.

Rekombinacja może zachodzić rzadko pomiędzy wirusami zwierzęcymi tego samego gatunku, ale o rozbieżnych liniach. Powstałe zrekombinowane wirusy mogą czasami powodować wybuch infekcji u ludzi.

Podczas replikacji swojego genomu (+)ssRNA , polimeraza RNA zależna od RNA wirusa polio (RdRp) jest w stanie przeprowadzić rekombinację. Wydaje się, że rekombinacja zachodzi dzięki mechanizmowi wyboru kopii, w którym RdRp przełącza matryce (+)ssRNA podczas syntezy nici ujemnych. Rekombinacja przez zamianę nici RdRp występuje również w roślinnych karmowirusach (+)ssRNA i tombuswirusach .

Rekombinacja wydaje się być główną siłą napędową w określaniu zmienności genetycznej w koronawirusach, a także zdolności gatunków koronawirusów do przeskakiwania z jednego gospodarza na drugiego i, rzadko, do pojawiania się nowych gatunków, chociaż mechanizm rekombinacji jest niejasny. W pierwszych miesiącach pandemii COVID-19 sugerowano, że takie zdarzenie rekombinacji było kluczowym krokiem w ewolucji zdolności SARS-CoV-2 do zarażania ludzi. Na podstawie wstępnych obserwacji okazało się, że cały motyw wiążący receptor SARS-CoV-2 został wprowadzony przez rekombinację z koronawirusów pangolin . Jednak bardziej kompleksowe analizy później obaliły tę sugestię i wykazały, że SARS-CoV-2 prawdopodobnie ewoluował wyłącznie u nietoperzy i z niewielką rekombinacją lub bez niej.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki

Domena publiczna Ten artykuł zawiera  materiał z domeny publicznej z dokumentu NCBI : „Science Primer” .