Genetická rekombinace - Genetic recombination

Současný model meiotické rekombinace, iniciovaný dvouvláknovým zlomem nebo mezerou, následovaný párováním s homologním chromozomem a invazí vlákna, aby se zahájil proces rekombinační opravy. Oprava mezery může vést k crossover (CO) nebo non-crossover (NCO) z přilehlých oblastí. Předpokládá se, že k rekombinaci CO dochází u modelu Double Holliday Junction (DHJ), znázorněného vpravo nahoře. Předpokládá se, že NCO rekombinanty se vyskytují primárně na modelu Synthesis Dependent Strand Annealing (SDSA), ilustrovaném vlevo nahoře. Většina událostí rekombinace se zdá být typu SDSA.

Genetická rekombinace (také známý jako genetické přeskupení) je výměna genetický materiál mezi různými organismy což vede k produkci potomků s kombinací vlastností, které se liší od vlastností nalezených u obou rodičů. v eukaryoty, genetická rekombinace během redukční dělení buněk může vést k nové sadě genetický informace, které lze předat z rodiče potomkům. Většina rekombinací se přirozeně vyskytuje.

Během meiózy u eukaryot zahrnuje genetická rekombinace párování homologní chromozomy. Poté může následovat přenos informací mezi chromozomy. K přenosu informací může dojít bez fyzické výměny (část genetického materiálu je kopírována z jednoho chromozomu do druhého, aniž by došlo ke změně dárcovského chromozomu) (viz cesta SDSA na obrázku); nebo rozbitím a opětovným připojením DNA vlákna, která tvoří nové molekuly DNA (viz cesta DHJ na obrázku).

Rekombinace může také nastat během mitóza v eukaryotech, kde obvykle zahrnuje dva sesterské chromozomy vytvořené po chromozomální replikaci. V tomto případě nové kombinace alely nejsou produkovány, protože sesterské chromozomy jsou obvykle identické. U meiózy a mitózy dochází k rekombinaci mezi podobnými molekulami DNA (homologní sekvence ). V meióze se nesesterské homologní chromozomy navzájem párují, takže mezi nesesterskými homology charakteristicky dochází k rekombinaci. V meiotických i mitotických buňkách je běžným mechanismem používaným při rekombinaci mezi homologními chromozomy Oprava DNA.

Genová konverze - proces, během kterého jsou homologní sekvence identické, také spadá pod genetickou rekombinaci.

Genetická rekombinace a rekombinace Oprava DNA také se vyskytuje v bakterie a archaea, které používají nepohlavní reprodukce.

Rekombinace může být uměle indukována v laboratoři (in vitro) nastavení rekombinantní DNA pro účely včetně vakcína rozvoj.

V (D) J rekombinace v organismech s adaptivní imunitní systém je typ místně specifické genetické rekombinace, která pomáhá imunitním buňkám rychle se diverzifikovat, rozpoznávat a přizpůsobovat se novým patogeny.

Synapsis

Hlavní článek: Synapsis

Během meiózy předchází genetická rekombinace synapse (párování homologních chromozomů).

Mechanismus

Genetická rekombinace je katalyzovaný mnoha různými enzymy. Rekombinázy jsou klíčové enzymy, které katalyzují krok přenosu vlákna během rekombinace. RecA, hlavní rekombináza nalezená v Escherichia coli, je zodpovědný za opravu dvouřetězcových zlomů DNA (DSB). V kvasinkách a jiných eukaryotických organismech existují dvě rekombinázy potřebné k opravě DSB. The RAD51 protein je vyžadován pro mitotický a meiotický rekombinace, zatímco opravný protein DNA, DMC1, je specifická pro meiotickou rekombinaci. V archaea je ortolog bakteriálního proteinu RecA je RadA.

Bakteriální rekombinace
Hlavní článek: Bakteriální rekombinace

v Bakterie existují:

Chromozomální crossover

Hlavní článek: Chromozomální crossover
Thomas Hunt Morgan Ilustrace přechodu (1916)

v eukaryoty, rekombinace během redukční dělení buněk usnadňuje chromozomální crossover. Proces křížení vede k tomu, že potomci mají různé kombinace genů od genů svých rodičů a mohou příležitostně produkovat nové chimérický alely. Přesouvání genů způsobených genetickou rekombinací se zvyšuje genetická variace. Umožňuje také vyhnout se pohlavně se rozmnožujícím organismům Mullerova ráčna, ve kterém genomy z nepohlavní populace akumulovat genetické delece nevratným způsobem.

Chromozomální křížení zahrnuje rekombinaci mezi spárovanými chromozomy zdědil po každém z rodičů, obvykle k němu došlo během redukční dělení buněk. V době profáze I. (pachytenová fáze) čtyři dostupné chromatidy jsou ve vzájemné těsné formaci. V této formaci homologní stránky na dvou chromatidách se mohou těsně spárovat a mohou si vyměňovat genetické informace.[4]

Protože rekombinace může nastat s malou pravděpodobností na jakémkoli místě podél chromozomu, frekvence rekombinace mezi dvěma místy závisí na vzdálenosti, která je odděluje. U genů dostatečně vzdálených na stejném chromozomu je tedy množství křížení dostatečně vysoké, aby zničilo korelaci mezi alely.

Sledování pohybu genů vyplývajících z křížení se genetikům ukázalo jako docela užitečné. Protože u dvou genů, které jsou blízko sebe, je menší pravděpodobnost, že se oddělí, než u genů, které jsou od sebe vzdálenější, mohou genetici zhruba odvodit, jak daleko jsou dva geny na chromozomu, pokud znají frekvenci křížení. Genetici mohou také použít tuto metodu k odvození přítomnosti určitých genů. Geny, které během rekombinace obvykle zůstávají pohromadě, jsou spojeny. Jeden gen ve spojeném páru může být někdy použit jako marker pro odvození přítomnosti jiného genu. To se obvykle používá k detekci přítomnosti genu způsobujícího onemocnění.[5]

Frekvence rekombinace mezi dvěma pozorovanými lokusy je hodnota přechodu. Je to frekvence překračující mezi dvěma propojenými gen loci (markery ) a závisí na vzájemné vzdálenosti genetiky loci pozorováno. U jakékoli pevné sady genetických a environmentálních podmínek je rekombinace v konkrétní oblasti vazebné struktury (chromozóm ) má tendenci být konstantní a totéž pak platí pro hodnotu přechodu, která se používá při výrobě genetické mapy.[1][6]

Genová konverze

Hlavní článek: Genová konverze

Při genové přeměně je část genetického materiálu kopírována z jednoho chromozomu do druhého, aniž by došlo ke změně dárcovského chromozomu. K genové přeměně dochází při vysoké frekvenci na skutečném místě události rekombinace během redukční dělení buněk. Jedná se o proces, při kterém je sekvence DNA kopírována z jedné šroubovice DNA (která zůstává nezměněna) do jiné šroubovice DNA, jejíž sekvence je pozměněna. Genová přeměna byla často studována u křížení hub[7] kde lze pohodlně sledovat 4 produkty jednotlivých meióz. Události genové konverze lze odlišit jako odchylky v individuální meióze od normálního segregačního vzorce 2: 2 (např. Vzor 3: 1).

Nehomologní rekombinace

Může dojít k rekombinaci mezi sekvencemi DNA, které neobsahují žádnou sekvenci homologie. To může způsobit chromozomální translokace, někdy vedoucí k rakovině.

V B buňkách

Hlavní článek: Přepínání třídy imunoglobulinů

B buňky z imunitní systém provést genetickou rekombinaci, tzv změna třídy imunoglobulinů. Jedná se o biologický mechanismus, který mění protilátka z jedné třídy do druhé, například z izotyp volala IgM na volaný izotyp IgG.

Genetické inženýrství

v genetické inženýrství, rekombinace může také odkazovat na umělou a úmyslnou rekombinaci různorodých částí DNA, často z různých organismů, vytvářející tzv. rekombinantní DNA. Ukázkovým příkladem takového použití genetické rekombinace je genové cílení, které lze použít k přidání, odstranění nebo jiné změně genů organismu. Tato technika je důležitá biomedicínští vědci protože jim umožňuje studovat účinky konkrétních genů. Uplatňují se také techniky založené na genetické rekombinaci proteinové inženýrství vyvinout nové biologicky zajímavé proteiny.

Rekombinační oprava

Poškození DNA způsobená řadou exogenních látek (např. UV světlo, Rentgenové záření, chemický síťování látky) lze opravit pomocí homologní rekombinační opravy (HRR).[8][9] Tato zjištění tomu nasvědčují Poškození DNA vyplývající z přírodních procesů, jako je expozice reaktivním kyslíkovým formám, které jsou vedlejšími produkty normálního metabolismu, jsou také opraveny pomocí HRR. U lidí mohou nedostatky v genových produktech nezbytných pro HRR během meiózy pravděpodobně způsobit neplodnost.[10] U lidí jsou nedostatky v genových produktech nezbytných pro HRR, jako např BRCA1 a BRCA2, zvyšují riziko rakoviny (viz Porucha opravy DNA s nedostatkem ).

U bakterií je transformace procesem přenosu genů, ke kterému obvykle dochází mezi jednotlivými buňkami stejného bakteriálního druhu. Transformace zahrnuje integraci dárcovské DNA do chromozomu příjemce rekombinací. Tento proces se jeví jako adaptace na opravu poškození DNA v chromozomu příjemce pomocí HRR.[11] Transformace může poskytnout výhodu patogenním bakteriím tím, že umožňuje opravu poškození DNA, zejména poškození, ke kterým dochází v zánětlivém oxidačním prostředí spojeném s infekcí hostitele.

Když dva nebo více virů, z nichž každý obsahuje smrtelné genomové poškození, infikuje stejnou hostitelskou buňku, virové genomy se často mohou navzájem spárovat a podstoupit HRR za vzniku životaschopného potomstva. Tento proces, označovaný jako multiplicitní reaktivace, byl studován v lambda a Bakteriofágy T4,[12] stejně jako u několika patogenních virů. V případě patogenních virů může být multiplicitní reaktivace adaptivním přínosem pro virus, protože umožňuje opravu poškození DNA způsobených expozicí oxidačnímu prostředí produkovanému během infekce hostitele.[11] Viz také sortiment.

Meiotická rekombinace

Molekulární modely meiotické rekombinace se v průběhu let vyvíjely s hromaděním příslušných důkazů. Hlavním podnětem pro rozvoj základního porozumění mechanismu meiotické rekombinace je to, že takové porozumění je zásadní pro řešení problému adaptivní funkce sexu, což je hlavní nevyřešený problém v biologii. Nedávný model, který odráží současné porozumění, představili Anderson a Sekelsky,[13] a je uveden na prvním obrázku v tomto článku. Obrázek ukazuje, že dva ze čtyř chromatidů přítomných na počátku meiózy (profáza I) jsou navzájem spárovány a schopné interakce. Rekombinace je v této verzi modelu iniciována dvouvláknovým zlomem (nebo mezerou) zobrazenou v molekule DNA (chromatid) v horní části prvního obrázku v tomto článku. Jiné typy poškození DNA však mohou také iniciovat rekombinaci. Například mezivláknové zesítění (způsobené expozicí zesíťujícímu činidlu, jako je mitomycin C), lze opravit pomocí HRR.

Jak je uvedeno na prvním obrázku výše, jsou vyráběny dva typy rekombinantního produktu. Na pravé straně je uveden typ „crossover“ (CO), kde jsou vyměňovány přilehlé oblasti chromozomů, a na levé straně typ „non-crossover“ (NCO), kde nejsou vyměňovány přilehlé oblasti. Rekombinace typu CO zahrnuje přechodné vytvoření dvou „Hollidayových křižovatek“, označených v pravém dolním rohu obrázku dvěma strukturami ve tvaru X, z nichž každá probíhá výměna jednotlivých řetězců mezi dvěma zúčastněnými chromatidy. Tato cesta je na obrázku označena jako cesta DHJ (dvojitý spoj Holliday).

NCO rekombinanty (znázorněné vlevo na obrázku) se vyrábějí procesem označovaným jako „syntéza závislá na vlákně žíhání“ (SDSA). Události rekombinace typu NCO / SDSA se zdají být častější než typ CO / DHJ.[14] Dráha NCO / SDSA přispívá málo ke genetické variabilitě, protože ramena chromozomů lemujících událost rekombinace zůstávají v rodičovské konfiguraci. Vysvětlení adaptivní funkce meiózy, která se zaměřují výhradně na křížení, tedy není dostatečná k vysvětlení většiny rekombinačních událostí.

Achiasmy a heterochiasmy

Achiasmy je fenomén, kdy autozomální rekombinace u jednoho pohlaví druhu zcela chybí. Achiasmatická chromozomální segregace je u mužů dobře zdokumentována Drosophila melanogaster. Heterochiasmy nastává, když se míra rekombinace liší mezi pohlavími druhu.[15] Tento sexuální dimorfní vzorec rychlosti rekombinace byl pozorován u mnoha druhů. U savců mají ženy nejčastěji vyšší míru rekombinace. The „Haldane-Huxleyovo pravidlo“ uvádí, že achiasmy se obvykle vyskytují v heterogametický sex.[15]

Rekombinace viru RNA

Četné RNA viry jsou schopné genetická rekombinace když alespoň dva virové genomy jsou přítomny ve stejné hostitelské buňce.[16] Rekombinace RNA se jeví jako hlavní hybná síla při určování architektury genomu a průběhu virové evoluce mezi nimi Picornaviridae ((+) ssRNA ) (např. poliovirus ).[17] V retroviridae ((+) ssRNA) (např. HIV ), poškození v genomu RNA se zdá být během reverzní transkripce přepínáním řetězců, forma rekombinace.[18][19] Rekombinace také nastává v reoviridae (dsRNA) (např. reovirus), orthomyxoviridae ((-) ssRNA) (např. virus chřipky )[19] a Coronaviridae ((+) ssRNA) (např. SARS ).[20] Rekombinace v RNA virech se jeví jako adaptace na zvládnutí poškození genomu.[16] Přepínání mezi templátovými řetězci během replikace genomu, označované jako rekombinace s výběrem kopie, bylo původně navrženo k vysvětlení pozitivní korelace rekombinačních událostí na krátké vzdálenosti v organismech s DNA genomem (viz první obrázek, SDSA cesta).[21] Rekombinace může nastat vzácně mezi zvířecími viry stejného druhu, ale s odlišnými liniemi. Výsledné rekombinantní viry mohou někdy způsobit propuknutí infekce u lidí.[20]

Při replikaci jeho (+) genom ssRNA, poliovirus RNA-dependentní RNA polymeráza (RdRp) je schopen provádět rekombinace. Zdá se, že k rekombinaci dochází mechanismem volby kopírování, ve kterém RdRp přepíná (+) ssRNA šablony během syntézy negativního řetězce.[22] K rekombinaci přepínáním řetězců RdRp dochází také v (+) ssRNA rostlině carmoviry a tombusviry.[23]

Rekombinace se jeví jako hlavní hybná síla při určování genetické variability v koronavirech, stejně jako schopnost druhů koronavirů přeskakovat z jednoho hostitele na druhého a zřídka pro vznik nových druhů, ačkoli mechanismus rekombinace v je nejasný.[20] Během prvních měsíců pandemie COVID-19 byla taková událost rekombinace považována za kritický krok ve vývoji schopnosti SARS-CoV-2 infikovat člověka.[24] Na základě předběžných pozorování se na základě předběžných pozorování zdálo, že celý motiv vázání receptoru k SARS-CoV-2 byl zaveden rekombinací z koronavirů luskouni.[25] Komplexnější analýzy však tento návrh později vyvrátily a ukázaly, že SARS-CoV-2 se pravděpodobně vyvinul pouze u netopýrů a s malou nebo žádnou rekombinací.[26][27]

Viz také

Reference

  1. ^ A b Rieger R. Michaelis A., Green M. M. (1976). Slovník genetiky a cytogenetiky: Klasický a molekulární. Heidelberg - New York: Springer-Verlag. ISBN  978-3-540-07668-1.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
  2. ^ King R. C., Stransfield W. D. (1998). Slovník genetiky. New York, Oxford: Oxford University Press. ISBN  978-0-19-50944-1-1.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
  3. ^ Bajrović K., Jevrić-Čaušević A., Hadžiselimović R., Eds (2005). Uvod u genetičko engenjerstvo i biotehnologiju. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB) Sarajevo. ISBN  978-9958-9344-1-4.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  4. ^ Alberts, Bruce (2002). Molekulární biologie buňky, čtvrté vydání. New York: Garland Science. ISBN  978-0-8153-3218-3.
  5. ^ „Access Excellence“. Crossing-over: Genetická rekombinace. Zdrojové centrum Národního muzea zdraví. Citováno 23. února 2011.
  6. ^ King R. C., Stransfield W. D. (1998): Dictionary of genetics. Oxford University Press, New York, Oxford, ISBN  0-19-50944-1-7; ISBN  0-19-509442-5.
  7. ^ Stacey, K. A. 1994. Rekombinace. In: Kendrew John, Lawrence Eleanor (eds.). Encyklopedie molekulární biologie. Oxford: Blackwell Science, 945–950.
  8. ^ Baker BS, Boyd JB, Carpenter AT, Green MM, Nguyen TD, Ripoll P, Smith PD. Genetické kontroly meiotické rekombinace a somatického metabolismu DNA v Drosophila melanogaster. Proc Natl Acad Sci U S A. 1976 listopad; 73 (11): 4140-4. doi: 10,1073 / pnas.73.11.4140. PMID: 825857; PMCID: PMC431359.
  9. ^ Boyd J. B. (1978). Oprava DNA v Drosophila. V mechanismech opravy DNA P.C. Hanawalt, E.C. Friedberg & C.F. Liška. (Eds.), Str. 449-452. Academic Press, New York.
  10. ^ Galetzka D, Weis E, Kohlschmidt N, Bitz O, Stein R, Haaf T. Exprese somatických genů pro opravu DNA v lidských varlatech. J Cell Biochem. 1. dubna 2007; 100 (5): 1232-9. doi: 10,1002 / jcb.21113. PMID: 17177185.
  11. ^ A b Michod RE, Bernstein H, Nedelcu AM (květen 2008). „Adaptivní hodnota pohlaví u mikrobiálních patogenů“ (PDF). Infikovat. Genet. Evol. 8 (3): 267–85. doi:10.1016 / j.meegid.2008.01.002. PMID  18295550.
  12. ^ Bernstein C (březen 1981). "Oprava deoxyribonukleové kyseliny v bakteriofágu". Microbiol. Rev. 45 (1): 72–98. doi:10.1128 / MMBR.45.1.72-98.1981. PMC  281499. PMID  6261109.
  13. ^ Andersen SL, Sekelsky J (prosinec 2010). „Meiotická versus mitotická rekombinace: dvě různé cesty pro opravu dvouvláknového zlomu: různé funkce opravy meiotické versus mitotické DSB se odrážejí v odlišném využití dráhy a různých výsledcích“. BioEssays. 32 (12): 1058–66. doi:10.1002 / bies.201000087. PMC  3090628. PMID  20967781.
  14. ^ Mehrotra S, McKim KS. Časová analýza tvorby a opravy dvojitého řetězce meiotické DNA u žen Drosophila. PLoS Genet. 2006 24. listopadu; 2 (11): e200. doi: 10,1371 / journal.pgen.0020200. Epub 2006 10. října. PMID: 17166055; PMCID: PMC1657055
  15. ^ A b Lenormand, Thomas (únor 2003). „Vývoj pohlavního dimorfismu v rekombinaci“. Genetika. 163 (2): 811–22. PMC  1462442. PMID  12618416.
  16. ^ A b Barr JN, Fearns R. Jak RNA viry udržují integritu genomu. J Gen Virol. Červen 2010; 91 (Pt 6): 1373-87. doi: 10.1099 / vir.0.020818-0. Epub 2010 24. března. Recenze. PMID: 20335491
  17. ^ Muslin C, Mac Kain A, Bessaud M, Blondel B, Delpeyroux F. Rekombinace v enterovirech, vícestupňový modulární evoluční proces. Viry. 2019 14. září; 11 (9). pii: E859. doi: 10,3390 / v11090859. Posouzení. PMID: 31540135
  18. ^ Hu WS, Temin HM. Retrovirová rekombinace a reverzní transkripce. Věda. 30. listopadu 1990; 250 (4985): 1227-33. PMID: 1700865
  19. ^ A b Bernstein H, Bernstein C, Michod RE. Pohlaví v mikrobiálních patogenech. Infect Genet Evol. 2018 Jan; 57: 8-25. doi: 10.1016 / j.meegid.2017.10.024. Epub 2017 27. října. Recenze. PMID: 29111273
  20. ^ A b C Su S, Wong G, Shi W, Liu J, Lai ACK, Zhou J, Liu W, Bi Y, Gao GF. Epidemiologie, genetická rekombinace a patogeneze koronavirů. Trends Microbiol. 2016 červen; 24 (6): 490-502. doi: 10.1016 / j.tim.2016.03.003. Epub 2016 Mar 21. Recenze. PMID: 27012512
  21. ^ Bernstein H. O mechanismu intragenní rekombinace. I. Oblast II bakteriofága T4. (1962) Journal of Theoretical Biology. 1962; 3, 335-353. https://doi.org/10.1016/S0022-5193(62)80030-7
  22. ^ Kirkegaard K, Baltimore D. Mechanismus rekombinace RNA v polioviru. Buňka. 1986 7. listopadu; 47 (3): 433-43. PMID: 3021340
  23. ^ Cheng CP, Nagy PD. Mechanismus rekombinace RNA ve virech karmy a tombusu: důkazy o změně templátu pomocí RNA-dependentní RNA polymerázy in vitro. J Virol. 2003 listopad; 77 (22): 12033-47. PMID: 14581540
  24. ^ Wang, Hongru; Pipes, Lenore; Nielsen, Rasmus (12. 10. 2020). „Synonymní mutace a molekulární evoluce původu SARS-Cov-2“. bioRxiv: 2020.04.20.052019. doi:10.1101/2020.04.20.052019.
  25. ^ Li X, Giorgi EE, Marichannegowda MH, Foley B, Xiao C, Kong XP, Chen Y, Gnanakaran S, Korber B, Gao F. Vznik SARS-CoV-2 prostřednictvím rekombinace a silné purifikační selekce. Sci Adv. 2020 1. července; 6 (27): eabb9153. doi: 10,1126 / sciadv.abb9153. PMID: 32937441
  26. ^ Boni, Maciej F .; Lemey, Philippe; Jiang, Xiaowei; Lam, Tommy Tsan-Yuk; Perry, Blair W .; Castoe, Todd A .; Rambaut, Andrew; Robertson, David L. (listopad 2020). „Evoluční počátky linie sarbecovirů SARS-CoV-2 odpovědné za pandemii COVID-19“. Přírodní mikrobiologie. 5 (11): 1408–1417. doi:10.1038 / s41564-020-0771-4. ISSN  2058-5276.
  27. ^ Neches, Russell Y .; McGee, Matthew D .; Kyrpides, Nikos C. (listopad 2020). „Rekombinace by neměla být nápadem“. Příroda Recenze Mikrobiologie. 18 (11): 606–606. doi:10.1038 / s41579-020-00451-1. ISSN  1740-1534. PMC  7503439. PMID  32958891.

externí odkazy

Tento článek zahrnujepublic domain materiál z NCBI dokument: "Science Primer".