Rekombinacija gena: mehanizmi procesa

Rekombinacija gena je razmjena genetskog materijala između različitih organizama. To dovodi do stvaranja potomstva sa kombinacijama osobina koje se razlikuju od onih pronađenih kod oba roditelja. Većina ovih genetičkih razmjena javlja se prirodno.

Kako se to dešava

Rekombinacija gena počinje kao rezultat razdvajanja gena tokom formiranja gameta tokom mejoze, oplodnje i ukrštanja. Presek omogućava alelima na molekulima DNK da promene položaj iz jednog homolognog segmenta hromozoma u drugi. Rekombinacija je odgovorna za genetičku raznolikost vrste ili populacije.

Struktura hromozoma

Hromozomi se nalaze unutar jezgra ćelija. Formirani su od hromatina, mase genetskog materijala koja se sastoji od DNK koja je čvrsto omotana oko proteina zvanih histoni. Hromozom je obično jednolančan i sastoji se od centromerne regije koja povezuje duge i kratke regije.

Umnožavanje hromozoma

Kada ćelija uđe u svoj životni ciklus, njeni hromozomi se dupliciraju replikacijom DNK u pripremi za diobu. Svaki duplicirani hromozom sastoji se od dva identična, nazvana sestrinske hromatide. Oni su povezani sa centromernom regijom. Kada se ćelije podijele, formiraju se upareni setovi. Sastoje se od jednog hromozoma (homolognog) svakog roditelja.

Hromosomska razmjena

Rekombinaciju gena tokom ukrštanja prvi je opisao Thomas Hunt Morgan. Kod eukariota je olakšan hromozomskim ukrštanjem. Proces ukrštanja dovodi do činjenice da potomstvo ima različite kombinacije gena i može proizvesti nove himerne alele. To omogućava spolno reproduktivnim organizmima da izbjegnu mellerovu čegrtaljku, u kojoj genomi aseksualne populacije akumuliraju genetske delecije na nepovratan način.

Tokom profaze I, četiri hromatide su čvrsto povezane. U ovoj formaciji, homologna mjesta na dva molekula mogu se blisko pariti jedni s drugima i razmjenjivati genetske informacije. Rekombinacija gena može se dogoditi bilo gdje duž hromozoma. Njegova učestalost između dvije tačke ovisi o udaljenosti koja ih razdvaja.

Značenje

Praćenje kretanja gena kao rezultat krosovera pokazalo se veoma korisnim za genetičare. Ovo omogućava da se utvrdi koliko su dva gena udaljena u hromozomu. Nauka također može koristiti ovu metodu da zaključi o prisutnosti određenih gena. Jedan molekul u povezanom paru služi kao marker za otkrivanje prisustva drugog. Ovo se koristi za otkrivanje prisutnosti gena koji izazivaju bolesti.

Frekvencija rekombinacije između dva posmatrana lokusa je vrijednost presjeka. Zavisi od relativne udaljenosti posmatranih genetskih žarišta. Za bilo koji fiksni set uslova okoline , rekombinacija u određenom području strukture veze (hromozom) ima tendenciju da bude konstantna. Isto vrijedi i za vrijednost presjeka koja se koristi pri kreiranju genetskih karata.

Mejoza

Hromozomski crossover uključuje razmjenu uparenih hromozoma naslijeđenih od svakog roditelja. Mejoza, kao osnova rekombinacije gena, igra važnu ulogu u ovom procesu. Molekularni modeli ovog procesa evoluirali su tokom godina kako su se akumulirali relevantni dokazi. Novi model pokazuje da su dvije od četiri hromatide prisutne na početku mejoze (profaza I) uparene jedna s drugom i sposobne su za interakciju. U njemu se odvija rekombinacija hromozoma i gena. Međutim, objašnjenja adaptivne funkcije mejoze koja se fokusiraju isključivo na raskrsnicu nisu dovoljna za većinu događaja razmjene.

Mitoza i nehomologni hromozomi

U eukariotskim ćelijama ukrštanje se može dogoditi i tokom mitoze. To rezultira u dvije ćelije s identičnim genetskim materijalom. Bilo koji crossover koji se dogodi između homolognih hromozoma u mitozi ne proizvodi novu kombinaciju gena.

Presjek koji se javlja u ne-homolognim hromozomima može proizvesti mutaciju poznatu kao translokacija. Javlja se kada se segment hromozoma odvaja i prelazi na novu poziciju na ne-homolognom molekulu. Ovaj tip mutacije mogu budi opasan, kako često dovode do razvoja ćelija raka.

Konverzija gena

Kada se geni transformišu, deo genetskog materijala se kopira sa jednog hromozoma na drugi bez promene donora. Konverzija gena se dešava sa visokom frekvencijom na stvarnoj lokaciji. Ovo je proces kojim se DNK sekvenca kopira sa jedne spirale na drugu. Rekombinacija gena i hromozoma proučavana je u gljivičnim ukrštanjima, gdje je prikladno promatrati četiri proizvoda odvojenih meioza. Događaji konverzije gena mogu se razlikovati kao odstupanja u pojedinačnoj diobi ćelija od normalne segregacije 2:2.

Genetski inženjering

Rekombinacija gena može biti Umjetna i namjerna. Koristi se na različitim fragmentima DNK, često različitih organizama. Tako se dobija rekombinantna DNK. Umjetna rekombinacija može se koristiti za dodavanje, uklanjanje ili modificiranje gena organizma. Ova metoda je važna za biomedicinska istraživanja u oblasti genskog i proteinskog inženjeringa.

Rekombinantni oporavak

Tokom mitoze i mejoze, DNK oštećena različitim egzogenim faktorima može se spasiti homolognom fazom oporavka (HSV). Ljudi i glodari imaju nedostatak genskih proizvoda, neophodno za HSV tokom mejoze, uzrokuje neplodnost.

Kod bakterija transformacija je proces prijenosa gena, koji se obično događa između pojedinih stanica iste vrste. Uključuje integraciju DNK donora u hromozom primaoca rekombinacijom gena. Ovaj proces je adaptacija za popravku oštećenih ćelija. Transformacija može imati koristi od patogenih bakterija dopuštajući popravku oštećenja DNK koja se javljaju u upalnom, oksidativnom okruženju povezanom s infekcijom domaćina.

Kada dva ili više virusa, od kojih svaki sadrži fatalna genomska oštećenja, inficiraju istu ćeliju domaćina, genomi se mogu pariti jedni s drugima i podvrgnuti HSV-u kako bi proizveli održivo potomstvo. Ovaj proces se zove reaktivacija višestrukosti. Proučavan je na nekoliko patogenih virusa.

Rekombinacija u prokariotskim ćelijama

Prokariotske ćelije, poput jednoćelijskih bakterija bez jezgre, također prolaze kroz genetsku rekombinaciju. U ovom slučaju, geni jedne bakterije su uključeni u genom druge ukrštanjem. Bakterijska rekombinacija se provodi procesima konjugacije, transformacije ili transdukcije.

U konjugaciji, jedna bakterija se povezuje s drugom kroz proteinsku cjevastu strukturu. U procesu transformacije, prokarioti uzimaju DNK iz okoline. Najčešće potiču iz mrtvih ćelija.

Tokom transdukcije, DNK se razmjenjuje putem virusa koji inficira bakterije, poznatog kao bakteriofag. Jednom kada se strana ćelija internalizuje konjugacijom, transformacijom ili transdukcijom, bakterija može ubaciti svoje segmente u sopstvenu DNK. Ovaj transfer se vrši ukrštanjem i dovodi do stvaranja rekombinantne bakterijske ćelije.