Jenis dan mekanisme rekombinasi genetik



itu rekombinasi genetik adalah proses dimana molekul asam nukleat bertukar fragmen menghasilkan molekul baru. Ini sangat umum dalam DNA, tetapi RNA juga merupakan substrat untuk rekombinasi. Rekombinasi adalah, setelah mutasi, sumber terpenting dari generasi variabilitas genetik.

DNA berpartisipasi dalam berbagai proses biokimia. Selama replikasi, ini berfungsi sebagai templat untuk generasi dua molekul DNA baru. Dalam transkripsi, ini memungkinkan untuk menghasilkan molekul RNA dari daerah tertentu yang dikendalikan oleh promotor.

Namun selain itu, DNA juga mampu bertukar fragmen. Melalui proses ini menghasilkan kombinasi baru yang bukan produk dari dua proses sebelumnya, atau pemupukan.

Setiap proses rekombinasi melibatkan pemecahan dan pengikatan molekul DNA yang terlibat dalam proses tersebut. Mekanisme ini bervariasi tergantung pada yang merupakan substrat rekombinasi, enzim yang terlibat dalam proses, dan mekanisme pelaksanaannya.

Rekombinasi umumnya tergantung pada keberadaan daerah komplementer, serupa (jika tidak identik), atau homolog antara molekul-molekul yang bergabung kembali. Dalam hal mereka menggabungkan kembali molekul dalam proses yang tidak dipandu oleh homologi, dikatakan bahwa rekombinasi tidak homolog.

Jika homologi melibatkan daerah yang sangat pendek hadir di kedua molekul, dikatakan bahwa rekombinasi adalah spesifik lokasi.

Indeks

  • 1 Definisi
    • 1.1 Chiasm dan cross-linking
  • 2 Jenis rekombinasi genetik
    • 2.1 rekombinasi khusus situs
    • 2.2-Homologi rekombinasi
    • 2.3 - Rekombinasi non-homolog
  • 3 Pentingnya rekombinasi
    • 3.1 Pentingnya sebagai penyebab: replikasi dan perbaikan DNA
    • 3.2 Pentingnya sebagai konsekuensi: generasi variabilitas genetik
    • 3.3 Rekombinasi dan kesehatan
  • 4 Referensi

Definisi

Apa yang kita sebut homologi dalam rekombinasi tidak selalu menyinggung asal evolusi dari molekul yang berpartisipasi. Kita berbicara lebih banyak tentang tingkat kesamaan dalam urutan nukleotida.

Rekombinasi non-reparatif, misalnya, terjadi pada eukariota selama proses meiosis. Tidak diragukan lagi, tidak ada homologi yang lebih besar daripada antara pasangan kromosom dalam sel yang sama.

Itulah sebabnya mereka disebut kromosom homolog. Namun, ada beberapa kasus di mana DNA suatu sel bertukar bahan dengan DNA asing. DNA ini harus sangat mirip dengan rekombinasi, tetapi mereka tidak harus berbagi nenek moyang yang sama (homologi) untuk mencapainya.

Chiasm dan cross-linking

Situs penyatuan dan pertukaran antara dua molekul DNA disebut chiasm, dan prosesnya saling berkaitan. Selama persilangan, pertukaran pita antara DNA yang berpartisipasi diverifikasi.

Ini menghasilkan kointegrasi, yang merupakan dua molekul DNA yang secara fisik bersatu menjadi satu. Ketika kointegrasi "diselesaikan", dua molekul dihasilkan, umumnya diubah (rekombinan).

"Solve", dalam konteks rekombinasi, adalah memisahkan komponen molekul DNA dari kointegrasi.

Jenis rekombinasi genetik

-Rekombinasi khusus situs

Dalam rekombinasi spesifik lokasi, dua molekul DNA, umumnya non-homolog, memiliki urutan pendek yang sama untuk keduanya. Urutan ini ditargetkan oleh enzim penyambungan tertentu.

Enzim, yang mampu mengenali urutan ini dan bukan yang lain, memotongnya di situs tertentu di kedua molekul. Dengan bantuan beberapa faktor lain, ia menukar pita DNA dari dua molekul yang berpartisipasi dan membentuk kointegrasi.

Escherichia coli dan lambda

Ini adalah dasar pembentukan kointegrasi antara genom bakteri Escherichia coli dan bahwa dari bakteriofag lambda. Bakteriofag adalah virus yang menginfeksi bakteri.

Pembentukan kointegrasi ini dilakukan oleh enzim yang disandikan dalam genom virus: lambda integrase. Ini mengenali urutan umum yang disebut attP dalam genom melingkar virus, dan attB dalam bakteri.

Dengan memotong kedua sekuens di kedua molekul, itu menghasilkan segmen bebas, bertukar band dan menyatukan dua genom. Lingkaran yang lebih besar terbentuk, atau terkointegrasi.

Pada kointegrasi, genom virus dipikul secara pasif oleh genom bakteri, yang dengannya ia bereplikasi. Dalam keadaan ini dikatakan bahwa virus dalam keadaan provirus, dan bahwa bakteri bersifat lisogenik untuk hal yang sama..

Proses kebalikannya, yaitu resolusi terkointegrasi, dapat memakan waktu beberapa generasi - atau bahkan tidak terjadi. Namun, jika dilakukan, enzim ini dimediasi secara enzimatik oleh protein lain yang disandikan oleh genom virus yang disebut excisionasa. Ketika ini terjadi, virus memisahkan dari cointegrate, mengaktifkan kembali dan menyebabkan lisis sel.

-Rekombinasi homolog

Rekombinasi umum

Rekombinasi homolog diverifikasi antara molekul DNA yang memiliki setidaknya 40 nukleotida yang memiliki kesamaan lengkap atau hampir lengkap. Untuk melakukan proses rekombinasi, setidaknya satu endonuklease harus berpartisipasi.

Endonuklease adalah enzim yang menghasilkan potongan internal DNA. Beberapa melakukannya untuk menurunkan DNA. Lainnya, seperti dalam kasus rekombinasi, melakukannya untuk menghasilkan penyok dalam DNA.

Nick unik ini memungkinkan Anda untuk memproses pita DNA tunggal dengan ujung bebas. Ujung bebas ini, dipandu oleh recombinase, memungkinkan satu pita untuk menyerang DNA ganda dengan menggeser pita penduduk yang identik dengannya.

Ini adalah titik persimpangan, antara molekul DNA donor ("penyerang") dan penerima lain.

Enzim (recombinase) yang melakukan proses invasi dan pertukaran pita di Escherichia coli itu disebut RecA. Ada protein homolog lain dalam prokariota, seperti RadA di archaea. Pada eukariota, enzim ekivalen disebut RAD51.

Setelah geng penyerang memindahkan residen, ia berinteraksi dengan pita yang tetap sederhana dalam molekul donor. Kedua titik disegel oleh aksi ligase.

Kami sekarang memiliki DNA dari pita hibrida (pita donor dan pita reseptor, dengan asal berbeda) diapit oleh DNA donor dan DNA penerima. Titik persimpangan (chiasmas) bergerak ke dua arah setidaknya 200 bp.

Setiap titik silang membentuk apa yang dikenal sebagai struktur Holliday (DNA yang disalibkan yang dihasilkan dari peristiwa rekombinasi).

DNA salib ini harus dipecahkan oleh endonuklease lainnya. DNA hibrida atau chimerik dari struktur ini dapat diselesaikan dengan dua cara. Jika potongan endonukleotida kedua terjadi pada pita yang sama dengan yang pertama terjadi, rekombinasi tidak dihasilkan. Jika potongan kedua terjadi pada pita lain, produk yang dihasilkan adalah rekombinan.

Rekombinasi V (D) J

Ini adalah jenis rekombinasi somatik (bukan meiosis) yang berkontribusi pada generasi dalam keragaman besar antibodi sistem kekebalan tubuh..

Rekombinasi ini diverifikasi dalam fragmen gen tertentu yang mengkode rantai polipeptida yang mendefinisikannya. Ini dilakukan oleh sel B dan melibatkan daerah genetik yang berbeda.

Menariknya, ada parasit seperti Trypanosoma brucei yang menggunakan mekanisme rekombinasi yang sama untuk menciptakan variabilitas dalam antigen permukaan. Dengan cara ini, mereka dapat menghindari respons inang jika gagal menghasilkan antibodi yang mampu mengenali antigen "baru"..

-Rekombinasi non-homolog

Akhirnya, ada proses rekombinasi yang tidak bergantung pada urutan kesamaan molekul yang berpartisipasi. Dalam eukariota sangat penting, misalnya, rekombinasi tujuan yang tidak homolog.

Ini terjadi dengan fragmen DNA yang memiliki double-band break dalam DNA. Ini "diperbaiki" oleh sel bergabung dengan mereka ke fragmen lain sama dengan pecahnya pita ganda.

Namun, molekul-molekul ini tidak harus sama untuk berpartisipasi dalam proses rekombinasi ini. Yaitu, dengan memperbaiki kerusakan, sel dapat mengikat DNA yang tidak terkait, menciptakan molekul (rekombinan) yang benar-benar baru. 

Pentingnya rekombinasi

Pentingnya sebagai penyebab: replikasi dan perbaikan DNA

Rekombinasi menjamin kesetiaan informasi DNA selama dan setelah proses replikasi. Rekombinasi mendeteksi kerusakan DNA selama proses pembuatan pita baru dalam makromolekul yang sangat panjang ini.

Karena setiap band memiliki informasinya sendiri, dan komplemennya, rekombinasi menjamin bahwa tidak ada yang hilang. Masing-masing bertindak sebagai saksi bagi yang lain. Demikian pula, pada organisme diploid, kromosom homolog menjadi saksi bagi saudaranya, dan sebaliknya.

Di sisi lain, setelah DNA direplikasi, mekanisme perbaikan kerusakan molekul ini bervariasi. Beberapa langsung (bertindak langsung pada cedera) dan yang lainnya tidak langsung.

Mekanisme perbaikan tidak langsung tergantung pada rekombinasi yang akan dilakukan. Yaitu, untuk memperbaiki kerusakan pada satu molekul DNA, molekul homolog lainnya digunakan. Ini akan bertindak dalam rekombinasi reparatif sebagai cetakan yang telah mengalami kerusakan.

Pentingnya sebagai konsekuensi: generasi variabilitas genetik

Rekombinasi mampu menciptakan variabilitas kromosom yang sangat besar selama meiosis. Rekombinasi somatik juga menghasilkan variabilitas, seperti pada kasus antibodi pada vertebrata.

Dalam banyak organisme, meiosis adalah gamética. Dalam organisme dengan reproduksi seksual, rekombinasi ternyata menjadi salah satu cara paling ampuh untuk menghasilkan variabilitas.

Dengan kata lain, untuk mutasi spontan dan pemisahan kromosom, perlu untuk menambahkan rekombinasi sebagai elemen generator lain dari variabilitas gametik..

Integrasi genof bakteriofag oleh rekombinasi spesifik lokasi, di sisi lain, telah berkontribusi pada renovasi genom bakteri inang mereka.

Ini telah berkontribusi pada generasi variabilitas genom, dan evolusi, dari kelompok makhluk hidup yang penting ini.

Rekombinasi dan kesehatan

Kita telah melihat bahwa DNA dapat diperbaiki, tetapi tidak apa yang merusaknya. Sebenarnya, hampir semuanya dapat merusak DNA, dimulai dengan replikasi yang rusak yang tidak diperbaiki.

Tetapi di luar itu, DNA dapat dirusak oleh sinar UV, radiasi pengion, produk radikal oksigen bebas dari respirasi sel, dan apa yang kita makan, merokok, bernapas, makan atau menyentuh..

Untungnya, Anda tidak harus menyerah untuk melindungi DNA. Seseorang harus meninggalkan hal-hal tertentu, tetapi pekerjaan besar dilakukan oleh sel itu sendiri. Mekanisme deteksi kerusakan DNA ini, dan perbaikannya, jelas memiliki dasar genetik, dan kekurangannya, konsekuensi yang sangat besar.

Penyakit yang terkait dengan cacat dalam rekombinasi homolog meliputi, misalnya, sindrom Bloom dan Werner, kanker familial pada payudara dan ovarium, dll..

Referensi

  1. Alberts, B., Johnson, A.D., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Biologi Molekuler Sel (Edisi 6). W. W. Norton & Company, New York, NY, AS.
  2. Bell, J.C., Kowalczykowski, S.C. (2016) Mekanika dan interogasi molekul tunggal dari rekombinasi DNA. Tinjauan Tahunan Biokimia, 85: 193-226.
  3. Prado, F. () Rekombinasi Homolog: To Fork and Beyond. Gen, doi: 10.3390 / genes2020603
  4. Griffiths, A.J.F., Wessler, R., Carroll, S.B., Doebley, J. (2015). Pengantar Analisis Genetik (edisi ke-11). New York: W. H. Freeman, New York, NY, AS.
  5. Tock, A.J., Henderson, I.R. (2018) Hotspot untuk Inisiasi Rekombinasi Meiotik. Frontiers in Genetics, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
  6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) A Prophages in Salmonella enterica: kekuatan pendorong dalam membentuk kembali genom dan fisiologi inang bakteri mereka? Mikrobiologi Molekuler, doi: 10.1111 / mmi.14167.
  7. Wright, W. D., Shah, S., Heyer, W. D. (2018) Rekombinasi homolog dan perbaikan DNA double-strand break. Jurnal Biologi Kimia, 293: 10524-10535