PENGUMPULAN SEMULA GENETIK: JENIS DAN MEKANISME - BIOLOGI - 2026

The penggabungan semula genetik adalah proses di mana molekul serpihan asid nukleik ditukar menjana molekul baru. Ia sangat biasa dalam DNA, tetapi RNA juga merupakan substrat untuk pengumpulan semula. Penggabungan semula adalah, selepas mutasi, sumber terpenting bagi generasi kebolehubahan genetik.

DNA mengambil bahagian dalam proses biokimia yang berbeza. Semasa replikasi, ia berfungsi sebagai templat untuk menghasilkan dua molekul DNA baru. Dalam transkripsi, memungkinkan untuk menghasilkan molekul RNA dari kawasan tertentu yang dikendalikan oleh penganjur.

Langkah-langkah umum pengumpulan semula DNA. Juergen Bode, melalui Wikimedia Commons

Tetapi selain ini, DNA juga mampu menukar serpihan. Melalui proses ini ia menghasilkan kombinasi baru yang bukan hasil dari dua proses sebelumnya, dan juga persenyawaan.

Semua proses pengumpulan semula melibatkan pemecahan dan penyatuan molekul DNA yang mengambil bahagian dalam proses tersebut. Mekanisme ini berbeza-beza bergantung pada substrat penggabungan, enzim yang berpartisipasi dalam proses, dan mekanisme pelaksanaannya.

Pengumpulan semula secara amnya bergantung pada keberadaan kawasan pelengkap, serupa (jika tidak sama), atau homolog antara molekul-molekul yang bergabung semula. Sekiranya molekul bergabung semula dalam proses yang tidak dipandu oleh homologi, pengumpulan semula dikatakan tidak homolog.

Sekiranya homologi melibatkan kawasan yang sangat pendek yang terdapat pada kedua molekul, penggabungan itu dikatakan khusus untuk lokasi.

Definisi

Apa yang kita sebut homologi dalam penggabungan tidak semestinya merujuk kepada asal evolusi molekul yang mengambil bahagian. Sebaliknya, kita bercakap mengenai tahap kesamaan dalam urutan nukleotida.

Pengumpulan semula tidak reparatif, misalnya, berlaku pada eukariota semasa proses meiosis. Tidak diragukan lagi, tidak ada homologi yang lebih besar daripada antara pasangan kromosom dalam sel yang sama.

Itulah sebabnya mereka dipanggil kromosom homolog. Walau bagaimanapun, terdapat kes di mana DNA sel bertukar bahan dengan DNA asing. DNA ini mestilah sangat serupa dengan penggabungan semula, tetapi tidak semestinya mereka mesti berkongsi nenek moyang (homologi) yang sama untuk mencapai ini.

Chiasm dan crossover

Laman penyambungan dan pertukaran antara dua molekul DNA disebut chiasm, dan proses itu sendiri disebut penghubung silang. Semasa crossover pertukaran pertukaran antara DNA peserta disahkan.

Ini menghasilkan gabungan, yang merupakan dua molekul DNA yang secara fizikal disatukan menjadi satu. Apabila penyatuan "menyelesaikan", dua molekul dihasilkan, umumnya berubah (bergabung semula).

Untuk "menyelesaikan", dalam konteks penggabungan semula, adalah memisahkan komponen DNA molekul gabungan.

Jenis pengumpulan semula genetik

Pengumpulan semula tempat khusus

Dalam penggabungan khusus di lokasi, dua molekul DNA, umumnya tidak homolog, mempunyai urutan pendek yang sama untuk kedua-duanya. Urutan ini adalah sasaran enzim penyambungan tertentu.

Enzim, yang dapat mengenali urutan ini dan bukan yang lain, memotongnya di tempat tertentu dalam kedua molekul. Dengan bantuan beberapa faktor lain, ia menukar jalur DNA kedua molekul yang mengambil bahagian dan membentuk gabungan.

Escherichia coli

Ini adalah asas untuk pembentukan gabungan antara genom bakteria Escherichia coli dan bakteriophage lambda. Bakteriofag adalah virus yang menjangkiti bakteria.

Pembentukan cointegrate ini dilakukan oleh enzim yang dikodekan dalam genom virus: lambda integrase. Ia mengenali urutan biasa yang disebut attP dalam genom bulat virus, dan attB dalam bakteria.

Dengan memotong kedua urutan dalam kedua molekul, ia menghasilkan segmen bebas, menukar jalur, dan bergabung dengan dua genom. Lingkaran yang lebih besar atau bersatu kemudian terbentuk.

Dalam penyatuan, genom virus secara pasif dibawa oleh genom bakteria, yang dengannya ia mereplikasi. Dalam keadaan ini dikatakan bahawa virus berada dalam keadaan provirus, dan bakteria itu bersifat lisogenik untuknya.

Proses terbalik, iaitu, penyelesaian penyatuan, boleh memakan banyak generasi - atau bahkan tidak berlaku. Namun, tindakan itu dimediasi secara enzim oleh protein lain yang dikodekan oleh genom virus yang disebut excisionase. Apabila ini berlaku, virus berpisah dari gabungan, mengaktifkan semula dan menyebabkan lisis sel.

-Kombinasi semula homolog

Pengumpulan semula secara umum

Pengumpulan semula homolog berlaku antara molekul DNA yang mempunyai sekurang-kurangnya kira-kira 40 nukleotida persamaan lengkap atau hampir lengkap. Untuk menjalankan proses pengumpulan semula, sekurang-kurangnya satu endonuclease mesti dilibatkan.

Endonuklease adalah enzim yang membuat pemotongan dalaman DNA. Ada yang melakukannya untuk menurunkan DNA. Yang lain, seperti dalam kes penggabungan semula, melakukannya untuk menghasilkan penyok pada DNA.

Nama khas ini membolehkan pemprosesan DNA jalur tunggal dengan hujung percuma. Hujung bebas ini, berorientasi pada recombinase, membolehkan satu jalur menyerang DNA berganda, menggantikan jalur penduduk yang serupa dengannya.

Ini adalah titik persimpangan antara molekul DNA penderma ("penyerang") dan reseptor lain.

Enzim (recombinase) yang menjalankan proses pencerobohan dan pertukaran jalur di Escherichia coli disebut RecA. Terdapat protein homolog lain di prokariota, seperti RadA di archaea. Dalam eukariota enzim setara disebut RAD51.

Setelah jalur invasif menggantikan penduduk, ia berinteraksi dengan band yang dibiarkan sederhana dalam molekul penderma. Kedua-dua laman web ini ditutup dengan tindakan ligase.

Kami sekarang mempunyai DNA jalur hibrid (band penderma dan band penerima, dari asal yang berbeza) diapit oleh DNA penderma dan DNA penerima. Titik crossover (chiasmata) bergerak di kedua arah sekurang-kurangnya 200 bp.

Setiap titik crossover membentuk apa yang dikenali sebagai struktur Holliday (produk DNA crossiform dari peristiwa pengumpulan semula).

DNA crossiform ini mesti diselesaikan oleh endonuklease lain. DNA kimerik atau hibrid struktur ini dapat diselesaikan dengan dua cara. Sekiranya pemotongan endonukleotida kedua berlaku pada jalur yang sama dengan yang pertama, tidak akan berlaku penggabungan semula. Sekiranya pemotongan kedua berlaku pada jalur yang lain, produk yang dihasilkan akan bergabung semula.

DNA rekombinan dalam struktur Holliday. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Mao-4armjunction-schematic.png.

Pengumpulan Semula V (D) J

Ini adalah jenis pengumpulan semula somatik (bukan meiotik) yang menyumbang kepada penghasilan dalam kebolehubahan antibodi sistem imun yang sangat besar.

Penggabungan ini berlaku terutamanya pada fragmen gen yang memberi kod untuk rantai polipeptida yang menentukannya. Ia dilakukan oleh sel B dan melibatkan kawasan genetik yang berbeza.

Menariknya, ada parasit seperti Trypanosoma brucei yang menggunakan mekanisme penggabungan yang serupa untuk mewujudkan kebolehubahan pada antigen permukaan. Dengan cara ini, mereka dapat menghindari tindak balas inang jika tuan rumah gagal menghasilkan antibodi yang mampu mengenali antigen "baru".

Kepelbagaian antibodi yang dihasilkan oleh pengumpulan semula. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Cambio_clase_recombinacion.PNG

-Kombinasi semula homolog

Akhirnya, terdapat proses pengumpulan semula yang tidak bergantung pada kesamaan urutan molekul yang mengambil bahagian. Sebagai contoh, dalam eukariota, penggabungan hujung yang tidak homolog sangat penting.

Ini berlaku dengan serpihan DNA yang menunjukkan pecahan jalur ganda dalam DNA. Ini "diperbaiki" oleh sel yang menghubungkannya ke serpihan lain juga dengan rehat jalur berganda.

Walau bagaimanapun, molekul-molekul ini tidak semestinya serupa untuk menyertai proses pengumpulan semula ini. Maksudnya, dengan memperbaiki kerosakan, sel dapat bergabung dengan DNA yang tidak berkaitan, sehingga menghasilkan molekul yang baru (rekombinan).

Kepentingan pengumpulan semula

Kepentingan sebagai penyebabnya: replikasi dan pembaikan DNA

Pengumpulan semula memastikan kesetiaan maklumat DNA semasa dan selepas proses replikasi. Pengumpulan semula mengesan kerosakan DNA semasa proses pita baru dalam makromolekul yang sangat panjang ini.

Oleh kerana setiap kumpulan mempunyai maklumat tersendiri, dan kumpulan pelengkapnya, penggabungan menjamin bahawa tidak ada yang hilang. Masing-masing bertindak sebagai saksi yang lain. Begitu juga dalam organisma diploid, kromosom homolog menyaksikan saudara kandungnya, dan sebaliknya.

Sebaliknya, setelah DNA ditiru, mekanisme pembaikan kerosakan molekul ini bervariasi. Ada yang langsung (kecederaan itu ditangani secara langsung) dan yang lain tidak langsung.

Mekanisme pembaikan tidak langsung bergantung pada penggabungan semula yang akan berlaku. Maksudnya, untuk memperbaiki kerosakan pada molekul DNA, molekul homolog lain digunakan. Ini akan bertindak sebagai penggabungan semula sebagai templat dari mana ia mengalami kerosakan.

Kepentingan sebagai akibatnya: penjanaan kebolehubahan genetik

Pengumpulan semula mampu mewujudkan kebolehubahan kromosom yang sangat besar semasa meiosis. Pengumpulan semula somatik juga menghasilkan kebolehubahan, seperti dalam hal antibodi pada vertebrata.

Dalam banyak organisma, meiosis bersifat gametik. Dalam organisma yang membiak secara seksual, penggabungan semula menjadi salah satu kaedah paling kuat untuk menghasilkan kebolehubahan.

Maksudnya, untuk mutasi spontan dan pemisahan kromosom, penggabungan mesti ditambahkan sebagai elemen lain yang menghasilkan variabilitas gametik.

Sebaliknya, penyatuan genom bakteriofag dengan penggabungan khusus tapak, telah menyumbang kepada pembentukan semula genom bakteria inang mereka.

Ini telah menyumbang kepada pembentukan kebolehubahan genom, dan evolusi, kumpulan makhluk hidup yang penting ini.

Pengumpulan semula dan kesihatan

Kita telah melihat bahawa DNA boleh diperbaiki, tetapi bukan apa yang merosakkannya. Pada hakikatnya, hampir semua perkara boleh merosakkan DNA, bermula dengan replikasi yang salah sehingga tidak dapat diperbaiki.

Tetapi di luar itu, DNA boleh rosak oleh sinar UV, sinaran pengion, radikal oksigen bebas dari pernafasan sel, dan apa yang kita makan, merokok, bernafas, tertelan, atau disentuh.

Nasib baik, anda tidak perlu menyerah untuk melindungi DNA. Perkara-perkara tertentu mesti diserah, tetapi kerja besar dilakukan oleh sel itu sendiri. Mekanisme ini untuk mengesan kerosakan DNA, dan pembaikannya, jelas mempunyai asas genetik, dan kekurangannya, akibat yang sangat besar.

Penyakit yang berkaitan dengan kecacatan pengumpulan semula homolog termasuk, misalnya, sindrom Bloom dan Werner, barah keluarga pada payudara dan ovari, dll.

Rujukan

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molekul Biologi Sel (Edisi ke-6). WW Norton & Company, New York, NY, Amerika Syarikat.
2. Bell, JC, Kowalczykowski, SC (2016) Mekanik dan interogasi molekul tunggal pengumpulan DNA. Kajian Tahunan Biokimia, 85: 193-226.
3. Prado, F. () Penggabungan Homologis: Ke Fork dan Di Luar. Gen, doi: 10.3390 / gen9120603
4. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). Pengenalan kepada Analisis Genetik (edisi ke-11). New York: WH Freeman, New York, NY, Amerika Syarikat.
5. Tock, AJ, Henderson, IR (2018) Hotspot untuk Permulaan Pengumpulan semula Meiotik. Sempadan dalam Genetik, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) Ramalan dalam Salmonella enterica: pendorong dalam membentuk semula genom dan fisiologi inang bakteria mereka? Mikrobiologi Molekul, doi: 10.1111 / mmi.14167.
7. Wright, WD, Shah, SS, Heyer, WD (2018) Pengumpulan semula homolog dan pembaikan rehat untai ganda DNA. Jurnal Kimia Biologi, 293: 10524-10535