Rekombinacja genów: mechanizmy tego procesu

Rekombinacja genów to wymiana materiału genetycznego między różnymi organizmami. Skutkuje uzyskaniem potomstwa o kombinacji cech odmiennych od występujących u obojga rodziców. Większość z tych wymian genetycznych zachodzi w sposób naturalny.

Jak to się dzieje

Rekombinacja genów wynika z podziału genów podczas tworzenia gamet w czasie mejozy, zapłodnienia i krzyżowania. Duplikacja umożliwia zmianę położenia alleli na cząsteczkach DNA z jednego homologicznego segmentu chromosomu na inny. Rekombinacja jest odpowiedzialna za różnorodność genetyczną gatunku lub populacji.

Struktura chromosomu

Chromosomy znajdują się wewnątrz jądra komórkowego. Są one utworzone z chromatyny, masy materiału genetycznego składającej się z DNA, która jest ściśle owinięta wokół białek zwanych histonami. Chromosom jest zwykle jednoniciowy i składa się z regionu centromerycznego, który łączy regiony długi i krótki.

Duplikacja chromosomu

Kiedy komórka wchodzi w swój cykl życiowy, jej chromosomy są powielane poprzez replikację DNA w celu przygotowania do podziału. Każdy zduplikowany chromosom składa się z dwóch identycznych, zwanych chromatydami siostrzanymi. Są one połączone z regionem centromerycznym. Kiedy komórki się dzielą, powstają sparowane zestawy. Składają się z jednego chromosomu (homologicznego) od każdego z rodziców.

Wymiana chromosomalna

Rekombinacja genów przez krzyżowanie została po raz pierwszy opisana przez Thomasa Hunta Morgana. U eukariontów ułatwia je krzyżowanie chromosomów. Proces krzyżowania powoduje, że potomstwo posiada różne kombinacje genów i może wytworzyć nowe allele chimeryczne. Dzięki temu organizmy rozmnażające się płciowo mogą uniknąć zapadki Möllera, w której genomy populacji bezpłciowej gromadzą delecje genetyczne w sposób nieodwracalny.

Podczas fazy I, cztery chromatydy są ściśle połączone. W tej formacji miejsca homologiczne na dwóch cząsteczkach mogą ściśle ze sobą współdziałać i wymieniać informację genetyczną. Rekombinacja genów może wystąpić w dowolnym miejscu wzdłuż chromosomu. Jego częstotliwość pomiędzy dwoma punktami zależy od odległości dzielącej je.

Znaczenie

Śledzenie ruchu genów w wyniku krzyżówek okazało się bardzo przydatne dla genetyków. Daje to możliwość określenia, jak daleko od siebie na chromosomie znajdują się oba geny. Nauka może również wykorzystać tę metodę do wnioskowania o obecności pewnych genów. Jedna cząsteczka w połączonej parze służy jako marker do wykrywania obecności drugiej. Służy to do wykrywania obecności genów patogennych.

Częstotliwość rekombinacji pomiędzy dwoma obserwowanymi loci to wartość crossing over. Zależy ona od wzajemnej odległości obserwowanych ognisk genetycznych. Dla każdego stałego zestawu warunków środowiskowych środowisko rekombinacja w określonym regionie struktury wiązania (chromosomu) ma tendencję do trwałości. To samo dotyczy znaczenia crossing over, które jest wykorzystywane do tworzenia map genetycznych.

Mejoza

Krzyżowanie chromosomów polega na wymianie sparowanych chromosomów odziedziczonych po każdym z rodziców. Mejoza, jako podstawa rekombinacji genów, odgrywa w tym procesie ważną rolę. Modele molekularne tego procesu ewoluowały przez lata w miarę gromadzenia odpowiednich dowodów. Nowy model pokazuje, że dwie z czterech chromatyd obecnych na początku mejozy (mikrofaza I) są sparowane ze sobą i są w stanie oddziaływać na siebie. Polega na rekombinacji chromosomów i genów. Jednak wyjaśnienia adaptacyjnej funkcji mejozy, które skupiają się wyłącznie na krzyżowaniu, są niewystarczające w przypadku większości zdarzeń wymiany.

Mitoza i niehomologiczne chromosomy

W komórkach eukariotycznych do crossing over może dojść również podczas mitozy. W jej wyniku powstają dwie komórki o identycznym materiale genetycznym. Każda krzyżówka, która zachodzi między chromosomami homologicznymi w mitozie, nie powoduje powstania nowej kombinacji genów.

W wyniku krzyżowania, które występuje w niehomologicznych chromosomach, może powstać mutacja zwana translokacją. Występuje, gdy segment chromosomu oddziela się od i przesuwa do nowej pozycji na niehomologowanej cząsteczce. Ten typ mutacje mogą być niebezpieczny, ponieważ często prowadzi do rozwoju komórek rakowych.

Konwersja genów

W konwersji genów część materiału genetycznego jest kopiowana z jednego chromosomu do drugiego bez zmiany dawcy. Konwersja genów występuje z dużą częstotliwością w rzeczywistym miejscu. Jest to proces, w którym sekwencja DNA jest kopiowana z jednej helisy do drugiej. Rekombinacja genów i chromosomów była badana w krzyżówkach grzybowych, gdzie dogodnie obserwuje się cztery produkty poszczególnych mejoz. Zdarzenia konwersji genów można wyróżnić jako odchylenia w podziale pojedynczych komórek od normalnej segregacji 2:2.

Inżynieria genetyczna

Rekombinacja genów może być sztuczna i celowa. Stosuje się ją na rozbieżnych fragmentach DNA, często pochodzących z różnych organizmów. W ten sposób uzyskuje się rekombinowane DNA. Sztuczna rekombinacja może być stosowana do dodawania, usuwania lub zmiany genów organizmu. Technika ta jest ważna dla badań biomedycznych w inżynierii genetycznej i białkowej.

Odzysk rekombinowany

Podczas mitozy i mejozy DNA uszkodzone przez różne czynniki egzogenne może być ratowane przez naprawę homologiczną (HSR). U ludzi i gryzoni, niedobór produktu genu, konieczny dla HSV podczas mejozy, powoduje niepłodność.

U bakterii transformacja to proces przenoszenia genów, który zachodzi zwykle między pojedynczymi komórkami tego samego gatunku. Polega ona na integracji DNA dawcy z chromosomem biorcy poprzez rekombinację genów. Proces ten jest adaptacją do naprawy uszkodzonych komórek. Transformacja może być korzystna dla bakterii patogennych, ponieważ umożliwia naprawę uszkodzeń DNA, które powstają w zapalnym, oksydacyjnym środowisku związanym z infekcją gospodarza.

Kiedy dwa lub więcej wirusów, z których każdy zawiera śmiertelne uszkodzenie genomu, infekuje tę samą komórkę gospodarza, genomy mogą łączyć się ze sobą i ulegać HSV w celu wytworzenia zdolnego do życia potomstwa. Proces ten nazywany jest reaktywacją mnogości. Została ona zbadana w kilku patogennych wirusach.

Rekombinacja w komórkach prokariotycznych

Komórki prokariotyczne, jak np. jednokomórkowe bakterie bez jądra, również ulegają rekombinacji genetycznej. W tym procesie geny jednej bakterii są włączane do genomu innej bakterii poprzez krzyżowanie. Rekombinacja bakteryjna odbywa się w procesach koniugacji, transformacji lub transdukcji.

W koniugacji jedna bakteria łączy się z drugą poprzez białkową strukturę rurkową. Podczas transformacji prokariota pobiera DNA ze środowiska. Najczęściej pochodzą one z martwych komórek.

W transdukcji, DNA jest wymieniane przez wirus, który infekuje bakterię, znany jako bakteriofag. Po internalizacji obcej komórki w wyniku koniugacji, transformacji lub transdukcji, bakteria może wprowadzić jej segmenty do własnego DNA. Transfer ten odbywa się poprzez krzyżowanie i skutkuje powstaniem rekombinowanej komórki bakteryjnej.