Rekombinacja genetyczna

Struktura Hollidaya

Rekombinacja genetyczna – proces wymiany materiału genetycznego, w wyniku którego powstają nowe genotypy. Rekombinacja nie zwiększa puli genowej gatunku.

U organizmów wyższych rekombinacja zachodzi w wyniku niezależnej segregacji genów i crossing-over zachodzącego podczas profazy mejozy I, a także losowego łączenia się gamet, dzięki czemu potomstwo otrzymuje nową kombinację genów. Umożliwia również rozmnażającym się bezpłciowo organizmom uniknięcie zapadki Mullera, czyli zbytniego gromadzenia się szkodliwych mutacji. U bakterii rekombinacja towarzyszy procesom transdukcji i transformacji.

Rekombinacja jest też metodą usuwania uszkodzeń nici DNA.

Struktura Hollidaya

Typy rekombinacji DNA

  • Rekombinacja homologiczna (uprawniona, uogólniona, crossing-over) – wymaga homologii rekombinujących sekwencji
  • Konwersja genów – podczas rekombinacji jeden z alleli jest przekształcany w drugi na skutek naprawy uszkodzeń DNA
  • Rekombinacja umiejscowiona (specyficzna dla miejsca) – wymaga krótkich obszarów homologii
  • Rekombinacja niehomologiczna (nieuprawniona, transpozycja) – zachodzi między niespokrewnionymi sekwencjami

Wyróżnia się 3 modele rekombinacji homologicznej:

  • model Hollidaya (1964)
  • model Meselsona-Raddinga (lub model Aviemore)
  • model przerywania obu nici (model Szostaka).

Rekombinacja według modelu Hollidaya

Model ten przedstawił w roku 1964 Robin Holliday[1].

Podczas usuwania uszkodzenia jednoniciowe DNA łączy się z białkiem RecA. Białko RecA atakuje homologiczną cząsteczkę, powodując lokalne rozplecenie helisy i wytworzenie heterodupleksu. Odpowiednie pojedyncze nici dwu homologicznych cząsteczek DNA są nacinane przez endonukleazy, powstają wolne końce i następuje rekombinacja typu crossing-over. Powstaje figura krzyżowa Hollidaya, w której naprzeciw uszkodzenia jest nieuszkodzony odcinek, a luka w drugiej nici będzie połączona z nicią nieuszkodzoną. Jedna z nici krzyżuje się, tworząc parę z komplementarną nicią homologicznego dupleksu. Następuje migracja rozgałęzienia w obu kierunkach (5' i 3'). Następuje rozdzielenie struktury Hollidaya i połączenie końców na dwa możliwe sposoby:

  • cięcie nici krzyżujących się prowadzi do wymiany pary homologicznych jednoniciowych segmentów i powstania dwóch heterodupleksów, które muszą zostać naprawione
  • cięcie nici niekrzyżujących się prowadzi do wymiany końców oryginalnych cząsteczek i powstania wzajemnych rekombinantów.

Rekombinacja według modelu Meselsona-Raddinga (Aviemore)

Model ten został opracowany w roku 1973 w szkockiej miejscowości Aviemore przez Matthew Meselsona i Charlesa Raddinga[2].

Rekombinacja rozpoczyna się od nacięcia jednej nici jednego z homologów. Następnie synteza DNA z końca 3’ powoduje odsunięcie końca 5’ przerwanej nici, a odsunięty koniec 5’ wchodzi do nici homologicznej i odsuwa swój odpowiednik (utworzenie pętli D), który jest degradowany nukleolitycznie. Ligacja (połączenie) prowadzi do wytworzenia genetycznie niesymetrycznego połączenia Hollidaya (tylko jedna z podwójnych nici zawiera region heterodupleksowy). Jeśli dochodzi do migracji połączenia, to heterodupleksy powstaną na obu niciach. Rozdzielenie połączenia zachodzi jak w modelu Hollidaya (cięcie nici krzyżujących się lub nie).

Rekombinacja według modelu Szostaka (model przerywania obu nici)

Rekombinację rozpoczyna dwuniciowe pęknięcie (DSB, z ang. double strand break) jednego z homologów. Następnie egzonukleaza 5’→3’ pozostawia na końcu 3’ wystające końce. Jeden z nich dokonuje inwazji do homologicznego dupleksu i odsuwa swój odpowiednik – powstaje pętla D. Do końców 3’ dołącza się polimeraza DNA i prowadzi syntezę DNA. Ligaza odtwarza dwuniciowe struktury i tworzą się połączenia Hollidaya. Rozdzielają się podobnie jak w modelu Hollidaya.

Białka biorące udział w rekombinacji u E. coli

  • RecA – promuje wymianę nici między cząsteczkami. Jest wymagane do zajścia wszystkich szlaków rekombinacji (rekombinacja chromosomów, plazmidów, naprawa rekombinacyjna)
  • RecBCD – rozwija DNA, przerw w DNA i degraduje obie nici do napotkania sekwencji Chi
  • RuvA – odpowiada za związanie połączenia
  • RuvB – odpowiada za migrację połączenia
  • RuvC – odpowiada za migrację połączenia
  • SSB
  • polimeraza I DNA
  • ligaza

Rekombinacja umiejscowiona

Ma miejsce:

Mechanizm:

  • rekombinacja pomiędzy odwróconymi powtórzeniami powoduje inwersję.
  • rekombinacja pomiędzy prostymi powtórzeniami prowadzi do delecji.

Przypisy

  1. ↑ Holliday, R. Mechanism for gene conversion in fungi. „Genetical Research”. 5 (2), s. 282 i nast., 1964. 
  2. ↑ MS. Meselson, CM. Radding. A general model for genetic recombination. „Proc Natl Acad Sci U S A”. 72 (1), s. 358–61, 1975. PMID: 1054510. PMCID: PMC432304. 

Linki zewnętrzne

Media użyte na tej stronie