קומבינציה גנטית: סוגים ומנגנונים - ביולוגיה - 2025

השילוב הגנטי הוא התהליך שבאמצעותו מחליפים מולקולות של שברי חומצות גרעין ויוצרים מולקולה חדשה. זה נפוץ מאוד ב- DNA, אך RNA הוא גם מצע לשילוב מחדש. רקומבינציה היא, לאחר מוטציה, המקור החשוב ביותר לייצור שונות גנטית.

ה- DNA משתתף בתהליכים ביוכימיים שונים. במהלך שכפול זה משמש כתבנית לייצור שתי מולקולות DNA חדשות. בתעתיק זה מאפשר לייצר מולקולות RNA מאזורים ספציפיים בשליטת מקדם.

הצעדים הכלליים של שילוב מחדש של DNA. יורגן בודה, באמצעות Wikimedia Commons

אך בנוסף לכל אלה, ה- DNA מסוגל להחליף שברים. באמצעות תהליך זה הוא מייצר שילובים חדשים שאינם תוצר של שני התהליכים הקודמים, וגם לא מהפריה.

כל תהליך רקומבינציה כולל שבירה והצטרפות של מולקולות ה- DNA שמשתתפות בתהליך. מנגנון זה משתנה בהתאם למצע השילוב מחדש, לאנזימים המשתתפים בתהליך ולמנגנון ביצועו.

רקומבינציה תלויה בדרך כלל בקיומם של אזורים משלימים, דומים (אם לא זהים) או הומולוגיים בין מולקולות השילוב מחדש. במקרה שמולקולות מתחברות מחדש בתהליכים שאינם מונחים על ידי הומולוגיה, אומרים שהקומבינציה אינה הומולוגית.

אם ההומולוגיה כוללת אזור קצר מאוד הקיים בשתי המולקולות, אומרים שהקומבינציה היא ספציפית לאתר.

הַגדָרָה

מה שאנו מכנים הומולוגיה בשילוב מחדש אינו מתייחס בהכרח למקור האבולוציוני של המולקולות המשתתפות. במקום זאת, אנו מדברים על מידת הדמיון ברצף הנוקלאוטידים.

רקומבינציה שאינה משיבה, למשל, מתרחשת באיקריוטים בתהליך המיוזה. אין ספק, לא יכולה להיות הומולוגיה גדולה יותר מאשר בין זוגות כרומוזומים באותו תא.

זו הסיבה שהם נקראים כרומוזומים הומולוגיים. עם זאת, ישנם מקרים בהם ה- DNA של תא מחליף חומר עם DNA זר. DNAים אלה חייבים להיות דומים מאוד לשילוב מחדש, אך הם לא בהכרח צריכים לחלוק את אותו אב קדמון (הומולוגיה) כדי להשיג זאת.

שיחות וקרוסאובר

אתר ההתקשרות והחילוף בין שתי מולקולות DNA נקרא כיזמה, והתהליך עצמו נקרא חוצה קישוריות. במהלך המעבר מאומתים חילופי להקות בין ה- DNA המשתתף.

זה מייצר קו-אינטגרציה, שהן שתי מולקולות DNA המאוחדות פיזית לאחת. כאשר הקואינטגרציה "נפתרת" נוצרות שתי מולקולות, בדרך כלל משתנות (רקומביננטיות).

"לפתור", בהקשר של קומבינציה מחדש, זה להפריד בין מולקולות ה- DNA המרכיבות של קו-אינטגרציה.

סוגי קומבינציה גנטית

- קומבינציה ספציפית לאתר

בשילוב מחדש ספציפי לאתר, שתי מולקולות DNA, בדרך כלל אינן הומולוגיות, יש רצף קצר המשותף לשניהם. רצף זה הוא היעד של אנזים שחבור ספציפי.

האנזים, המסוגל לזהות רצף זה ולא אחר, חותך אותו באתר מסוים בשתי המולקולות. בעזרת גורמים אחרים הוא מחליף את רצועות ה- DNA של שתי המולקולות המשתתפות ויוצר קו-אינטגרציה.

אי קולי

זהו הבסיס להיווצרות הקואינטגרציה בין הגנום של החיידק Escherichia coli לזו של ה- bacteriophage lambda. בקטריופאג 'הוא נגיף המדביק חיידקים.

היווצרות של קו-אינטגרציה זו מתבצעת על ידי אנזים המקודד בגנום הנגיף: lambda integrase. הוא מזהה רצף שכיח הנקרא attP בגנום המעגלי של הנגיף, ו- attB בזה של החיידק.

על ידי חיתוך שני הרצפים בשתי המולקולות הוא מייצר קטעים חופשיים, מחליף את הלהקות ומצטרף לשני הגנומים. לאחר מכן נוצר מעגל גדול יותר או משולב.

בשילוב, הגנום הנגיף נישא באופן פסיבי על ידי הגנום החיידקי, איתו הוא משכפל. במצב זה נאמר כי הנגיף נמצא במצב הנגיף, וכי החיידק ליזוגני עבורו.

התהליך ההפוך, כלומר הרזולוציה של הקואינטגרציה, יכולה לארוך דורות רבים - או אפילו לא להתרחש. עם זאת, פעולה זו מתווכת אנזימטית על ידי חלבון אחר המקודד על ידי הגנום הנגיף הנקרא excisionase. כאשר זה קורה, הנגיף נפרד מהשותף, מפעיל מחדש וגורם לליז תאים.

- קומבינציה הומולוגית

קומבינציה כללית

רקומבינציה הומולוגית מתרחשת בין מולקולות DNA החולקות לפחות כ- 40 נוקליאוטידים בעלי דמיון מלא או כמעט מוחלט. על מנת לבצע את תהליך הרסומבינציה, יש לערב לפחות אנדונוקליז אחד.

אנדונוקליזות הם אנזימים שעושים חתכים פנימיים ב- DNA. יש כאלה שעושים זאת כדי להשפיל את ה- DNA. אחרים, כמו במקרה של רקומבינציה, עושים זאת בכדי ליצור שקע ב- DNA.

הכינוי הייחודי הזה מאפשר עיבוד של DNA של רצועה יחידה עם סוף חופשי. סוף חופשי זה, המכוון באמצעות קומבינאזז, מאפשר ללהקה יחידה לפלוש ל- DNA כפול, ולעקוף את הלהקה התושבת זהה לה.

זוהי נקודת המעבר בין מולקולת DNA תורמת ("פולש") לקולטן אחר.

האנזים (רקומבינאז) שמבצע את תהליך הפלישה והחלפת הלהקות ב- Escherichia coli נקרא RecA. יש חלבונים הומולוגיים נוספים בפרוקריוטות, כמו RadA בארכאה. באיקריוטות האנזים המקביל נקרא RAD51.

ברגע שהלהקה הפולשת מעקירה את התושב, היא מקיימת אינטראקציה עם הלהקה שנותרה פשוטה במולקולת התורמת. שני האתרים אטומים על ידי פעולת ליגאז.

יש לנו כיום DNA של הלהקה היברידית (להקת תורמים ולהקת מקבלים, ממקורות שונים), המונחים על ידי DNA התורם ו- DNA המקבל. נקודות הקרוסאובר (chiasmata) נעות לשני הכיוונים לפחות ב- 200 נ"ז.

כל נקודת מוצלב יוצרת מה שמכונה מבנה הולידיי (תוצרת DNA מצליבה של אירוע רקומבינציה).

ה- DNA המצליבי הזה חייב להיפתר על ידי אנדונוקליזות אחרות. ניתן לפתור DNA כימרי או היברידי של מבנה זה בשתי דרכים. אם חתך האנדונוקליאוטידים השני מתרחש באותה רצועה כמו זו הראשונה, לא מתרחשת שום קומבינציה. אם החיתוך השני מתרחש בלהקה השנייה, התוצרים המתקבלים הם רקומביננטיים.

DNA רקומביננטי במבנה ההולידיי. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Mao-4armjunction-schematic.png.

רקומבינציה V (D) J

זהו סוג של רקומבינציה סומטית (לא מיוטית) התורמת לדור בהשתנות העצומה של נוגדנים של מערכת החיסון.

רקומבינציה זו מתרחשת בשברים מסוימים של הגנים המקודדים לשרשראות הפוליפפטיד המגדירים אותם. זה מתבצע על ידי תאי B וכרוך באזורים גנטיים שונים.

מעניין לציין כי ישנם טפילים כמו Trypanosoma brucei המעסיקים מנגנון רקומבינציה דומה כדי ליצור שונות באנטיגן פני השטח. בדרך זו הם יכולים להתחמק מתגובת המארח אם המארח לא יצליח ליצור את הנוגדן המסוגל לזהות את האנטיגן "החדש".

מגוון הנוגדנים הנוצרים על ידי שילוב מחדש. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Cambio_clase_recombinacion.PNG

-לא רקומבינציה הומולוגית

לבסוף ישנם תהליכי קומבינציה שאינם תלויים בדמיון ברצף של המולקולות המשתתפות. באוקריוטות, למשל, יש חשיבות רבה לשילוב מחדש של המטרות הלא-הומולוגיות.

זה מתרחש עם שברי DNA המראים שברי פס כפול ב- DNA. אלה "מתוקנים" על ידי התא שמצטרף אליהם לשברים אחרים גם עם הפסקות פס כפול.

עם זאת, מולקולות אלו אינן חייבות להיות דומות בהכרח כדי להשתתף בתהליך רקומבינציה זה. כלומר, על ידי תיקון הנזק, התא יכול להצטרף ל- DNA שאינו קשור, וכך ליצור מולקולה ממש ממש (רקומביננטית).

חשיבות הקומבינציה

חשיבותה כגורם: שכפול ותיקון DNA

שילוב מחדש מבטיח את נאמנותו של מידע ה- DNA במהלך תהליך השכפול ואחריו. רקומבינציה מגלה נזקי DNA בתהליך הלהקה החדש במקרומולקולה ארוכה במיוחד.

מכיוון שלכל להקה יש מידע משלה, וזה של המידע המשלים שלה, הרי שהקומבינציה מחדש מבטיחה שאף אחד מהם לא יאבד. כל אחד מהם משמש כעד לרעהו. באופן דומה, אצל אורגניזמים דיפלואידים, כרומוזום הומולוגי עדים לאחיו, ולהיפך.

מצד שני, לאחר שכפול ה- DNA משוכפל, מנגנוני תיקון הנזקים של מולקולה זו מגוונים. חלקם ישירים (הפגיעה מתבצעת באופן ישיר) ואחרים עקיפים.

מנגנוני תיקון עקיפים תלויים בשילוב מחדש של המתחם. כלומר, כדי לתקן את הנזק במולקולת DNA, משתמשים במולקולה הומולוגית אחרת. פעולה זו תפעל בשילוב מחדש משלים כתבנית ממנה נגרם לה נזק.

החשיבות כתוצאה מכך: יצירת השונות הגנטית

שילוב מחדש מסוגל ליצור שונות עצומה בכרומוזום במהלך המיוזה. רקומבינציה סומטית מייצרת גם שונות, כמו במקרה של נוגדנים בחוליות.

בקרב אורגניזמים מיוזה היא גייטית. באורגניזמים המתרבים מינית, רקומבינציה מתגלה כאחת הדרכים החזקות ביותר לייצור שונות.

כלומר, למוטציה ספונטנית והפרדה כרומוזומית יש להוסיף קומבינציה כאלמנט נוסף שיוצר שונות גמאית.

שילוב של גנומים בקטריופאגים על ידי קומבינציה ספציפית לאתר לעומת זאת, תרם לחידוש הגנום של החיידק המארח שלהם.

זה תרם ליצירת השונות הגנומית והתפתחותם של קבוצה חשובה זו של יצורים חיים.

רקומבינציה ובריאות

כבר ראינו שאפשר לתקן DNA, אך לא מה שמזיק לו. במציאות, כמעט כל דבר יכול להזיק ל- DNA, החל משכפול לקוי שאינו מתוקן.

אך מעבר לכך, DNA יכול להיפגע מאור UV, קרינה מייננת, רדיקלי חמצן חופשיים מהנשימה התאית, ומה שאנו אוכלים, מעשנים, נושמים, בולעים או נוגעים.

למרבה המזל, אינך צריך לוותר על המחיה כדי להגן על ה- DNA. יש לוותר על דברים מסוימים, אך העבודה הגדולה נעשית על ידי התא עצמו. למנגנונים אלה לגילוי נזק ל- DNA ולתיקונו יש כמובן בסיס גנטי, ולמחסורם, השלכות עצומות.

מחלות הקשורות למומים בשילוב הומולוגי כוללות, למשל, תסמונות בלום ורנר, סרטן שד משפחתי וסרטן שחלות וכו '.

הפניות

1. אלברטס, ב., ג'ונסון, א.ד., לואיס, ג'יי, מורגן, ד., רף, מ., רוברטס, ק. וולטר, פ. (2014) ביולוגיה מולקולרית של התא (מהדורה 6). WW Norton & Company, ניו יורק, ניו יורק, ארה"ב.
2. Bell, JC, Kowalczykowski, SC (2016) מכניקה וחקירה מולקולות בודדות של שילוב DNA מחדש. סקירה שנתית של ביוכימיה, 85: 193-226.
3. פראדו, פ () שילוב מחדש הומולוגי: למזלג ומעבר לו. גנים, דוי: 10.3390 / גנים9120603
4. גריפית'ס, AJF, ווסלר, ר., קרול, ס.ב., דובי, ג'יי (2015). מבוא לניתוח גנטי (מהדורה 11). ניו יורק: WH Freeman, ניו יורק, ניו יורק, ארה"ב.
5. Tock, AJ, Henderson, IR (2018) נקודות חמות לביצוע רקומבינציה מיוטית. Frontiers in Genetics, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) נביאים בסלמונלה enterica: כוח מניע בעיצוב מחדש של הגנום והפיזיולוגיה של המארח החיידקי שלהם? מיקרוביולוגיה מולקולרית, doi: 10.1111 / mmi.14167.
7. רייט, WD, Shah, SS, Heyer, WD (2018) קומבינציה הומולוגית ותיקון הפסקות DNA בעלות גדיל כפול. כתב העת לכימיה ביולוגית, 293: 10524-10535