GENETISCHE REKOMBINATION: TYPEN UND MECHANISMEN - BIOLOGIE - 2025

Die genetische Rekombination ist der Prozess, bei dem Moleküle von Nukleinsäurefragmenten ausgetauscht werden, um ein neues Molekül zu erzeugen. Es ist sehr häufig in der DNA, aber RNA ist auch ein Substrat für die Rekombination. Die Rekombination ist nach der Mutation die wichtigste Quelle für die Erzeugung genetischer Variabilität.

DNA ist an verschiedenen biochemischen Prozessen beteiligt. Während der Replikation dient es als Vorlage für die Erzeugung von zwei neuen DNA-Molekülen. Bei der Transkription ist es möglich, RNA-Moleküle aus bestimmten Regionen zu erzeugen, die von einem Promotor kontrolliert werden.

Die allgemeinen Schritte der DNA-Rekombination. Jürgen Bode, über Wikimedia Commons

Darüber hinaus kann DNA aber auch Fragmente austauschen. Durch diesen Prozess werden neue Kombinationen erzeugt, die weder das Produkt der beiden vorherigen Prozesse noch der Befruchtung sind.

Bei jedem Rekombinationsprozess werden die am Prozess beteiligten DNA-Moleküle gebrochen und verbunden. Dieser Mechanismus variiert in Abhängigkeit vom Rekombinationssubstrat, den am Prozess beteiligten Enzymen und dem Mechanismus seiner Ausführung.

Die Rekombination hängt im Allgemeinen von der Existenz komplementärer, ähnlicher (wenn nicht identischer) oder homologer Regionen zwischen den rekombinierenden Molekülen ab. Für den Fall, dass Moleküle in Prozessen rekombinieren, die nicht von der Homologie geleitet werden, wird die Rekombination als nicht homolog bezeichnet.

Wenn die Homologie eine sehr kurze Region beinhaltet, die in beiden Molekülen vorhanden ist, wird die Rekombination als ortsspezifisch bezeichnet.

Definition

Was wir bei der Rekombination Homologie nennen, bezieht sich nicht unbedingt auf den evolutionären Ursprung der beteiligten Moleküle. Wir sprechen vielmehr über den Grad der Ähnlichkeit in der Nukleotidsequenz.

Beispielsweise tritt bei Eukaryoten während des Meioseprozesses eine nicht reparative Rekombination auf. Zweifellos kann es keine größere Homologie geben als zwischen Chromosomenpaaren in derselben Zelle.

Deshalb werden sie homologe Chromosomen genannt. Es gibt jedoch Fälle, in denen die DNA einer Zelle Material mit einer Fremd-DNA austauscht. Diese DNAs müssen der Rekombination sehr ähnlich sein, müssen jedoch nicht unbedingt denselben Vorfahren (dieselbe Homologie) haben, um dies zu erreichen.

Chiasmus und Crossover

Der Ort der Bindung und des Austauschs zwischen zwei DNA-Molekülen wird als Chiasma bezeichnet, und der Prozess selbst wird als Vernetzung bezeichnet. Während des Crossovers wird ein Bandenaustausch zwischen den beteiligten DNAs verifiziert.

Dies erzeugt ein Kointegrat, bei dem es sich um zwei DNA-Moleküle handelt, die physikalisch zu einem vereint sind. Wenn sich das Kointegrat "auflöst", werden zwei Moleküle erzeugt, die im Allgemeinen verändert sind (rekombinant).

Im Kontext der Rekombination zu "lösen" bedeutet, die DNA-Komponenten eines Kointegrats zu trennen.

Arten der genetischen Rekombination

-Standortspezifische Rekombination

Bei der ortsspezifischen Rekombination weisen zwei im Allgemeinen nicht homologe DNA-Moleküle eine kurze Sequenz auf, die beiden gemeinsam ist. Diese Sequenz ist das Ziel eines spezifischen Spleißenzyms.

Das Enzym, das diese und keine andere Sequenz erkennen kann, schneidet sie an einer bestimmten Stelle in beiden Molekülen. Mit Hilfe einiger anderer Faktoren tauscht es die DNA-Banden der beiden beteiligten Moleküle aus und bildet ein Kointegrat.

Escherichia coli

Dies ist die Grundlage für die Bildung des Kointegrats zwischen dem Genom des Bakteriums Escherichia coli und dem des Bakteriophagen Lambda. Ein Bakteriophage ist ein Virus, das Bakterien infiziert.

Die Bildung dieses Kointegrats erfolgt durch ein im Virusgenom kodiertes Enzym: Lambda-Integrase. Es erkennt eine gemeinsame Sequenz namens attP im zirkulären Genom des Virus und attB im Bakterium.

Durch Schneiden beider Sequenzen in beiden Molekülen werden freie Segmente erzeugt, die Banden ausgetauscht und die beiden Genome verbunden. Ein größerer oder integrierter Kreis wird dann gebildet.

Bei der Kointegration wird das Virusgenom passiv vom Bakteriengenom getragen, mit dem es sich repliziert. In diesem Zustand wird gesagt, dass sich das Virus im Proviruszustand befindet und dass das Bakterium für es lysogen ist.

Der umgekehrte Prozess, dh die Auflösung des Kointegrats, kann viele Generationen dauern - oder sogar nicht stattfinden. Dies wird jedoch enzymatisch durch ein anderes Protein vermittelt, das vom Virusgenom namens Excisionase kodiert wird. In diesem Fall trennt sich das Virus vom Kointegrat, reaktiviert sich und verursacht eine Zelllyse.

-Homologe Rekombination

Verallgemeinerte Rekombination

Homologe Rekombination tritt zwischen DNA-Molekülen auf, die mindestens etwa 40 Nukleotide mit vollständiger oder fast vollständiger Ähnlichkeit teilen. Um den Rekombinationsprozess durchzuführen, muss mindestens eine Endonuklease beteiligt sein.

Endonukleasen sind Enzyme, die interne Schnitte in der DNA vornehmen. Einige tun es, um die DNA abzubauen. Andere, wie im Fall der Rekombination, tun dies, um eine Delle in der DNA zu erzeugen.

Dieser einzigartige Nick ermöglicht die Verarbeitung einer Einzelband-DNA mit einem freien Ende. Dieses freie Ende, das durch eine Rekombinase orientiert ist, ermöglicht es einer einzelnen Bande, in eine doppelte DNA einzudringen, wodurch die mit ihr identische residente Bande verdrängt wird.

Dies ist der Übergangspunkt zwischen einem Donor-DNA-Molekül ("Eindringling") und einem anderen Rezeptor.

Das Enzym (Rekombinase), das den Invasions- und Bandenaustauschprozess in Escherichia coli durchführt, heißt RecA. Es gibt andere homologe Proteine ​​in Prokaryoten, wie RadA in Archaea. In Eukaryoten heißt das äquivalente Enzym RAD51.

Sobald die invasive Bande den Bewohner verdrängt, interagiert sie mit der Bande, die im Donormolekül einfach geblieben ist. Beide Stellen werden durch die Wirkung einer Ligase versiegelt.

Jetzt haben wir eine DNA von Hybridbanden (eine Spenderbande und eine Empfängerbande unterschiedlicher Herkunft), flankiert von Spender- und Empfänger-DNA. Die Überkreuzungspunkte (Chiasmata) bewegen sich um mindestens 200 bp in beide Richtungen.

Jeder Kreuzungspunkt bildet die sogenannte Holliday-Struktur (kreuzförmiges DNA-Produkt eines Rekombinationsereignisses).

Diese kreuzförmige DNA muss durch andere Endonukleasen aufgelöst werden. Chimäre oder hybride DNA dieser Struktur kann auf zwei Arten aufgelöst werden. Wenn der zweite Endonukleotidschnitt in derselben Bande wie der erste auftritt, tritt keine Rekombination auf. Wenn der zweite Schnitt in der anderen Bande auftritt, sind die resultierenden Produkte rekombinant.

Rekombinante DNA in der Holliday-Struktur. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Mao-4armjunction-schematic.png.

Rekombination V (D) J.

Dies ist eine Art der somatischen Rekombination (nicht meiotisch), die zur Erzeugung der enormen Variabilität von Antikörpern des Immunsystems beiträgt.

Diese Rekombination findet insbesondere in Fragmenten der Gene statt, die für die Polypeptidketten kodieren, die sie definieren. Es wird von B-Zellen durchgeführt und umfasst verschiedene genetische Regionen.

Interessanterweise gibt es Parasiten wie Trypanosoma brucei, die einen ähnlichen Rekombinationsmechanismus verwenden, um Variabilität in einem Oberflächenantigen zu erzeugen. Auf diese Weise können sie sich der Reaktion des Wirts entziehen, wenn der Wirt den Antikörper nicht erzeugt, der das "neue" Antigen erkennen kann.

Vielfalt der durch Rekombination erzeugten Antikörper. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Cambio_clase_recombinacion.PNG

-Nicht homologe Rekombination

Schließlich gibt es Rekombinationsprozesse, die nicht von der Ähnlichkeit in der Sequenz der beteiligten Moleküle abhängen. Bei Eukaryoten ist beispielsweise die Rekombination nicht homologer Enden sehr wichtig.

Dies tritt bei DNA-Fragmenten auf, die Doppelbandbrüche in der DNA zeigen. Diese werden "repariert", indem die Zelle sie mit anderen Fragmenten verbindet, auch mit Doppelbandbrüchen.

Diese Moleküle müssen jedoch nicht unbedingt ähnlich sein, um an diesem Rekombinationsprozess teilzunehmen. Das heißt, durch die Reparatur des Schadens kann die Zelle nicht verwandte DNAs verbinden und so ein wirklich neues (rekombinantes) Molekül erzeugen.

Bedeutung der Rekombination

Bedeutung als Ursache: DNA-Replikation und -Reparatur

Die Rekombination stellt die Genauigkeit der DNA-Informationen während und nach dem Replikationsprozess sicher. Die Rekombination erkennt DNA-Schäden während des neuen Bandenprozesses in diesem extrem langen Makromolekül.

Da jedes Band seine eigenen Informationen hat und die seiner komplementären, garantiert die Rekombination, dass keine verloren geht. Jeder tritt als Zeuge des anderen auf. In ähnlicher Weise ist bei diploiden Organismen ein homologes Chromosom Zeuge seines Geschwisters und umgekehrt.

Andererseits werden nach der Replikation der DNA die Schadensreparaturmechanismen dieses Moleküls variiert. Einige sind direkt (die Verletzung wird direkt behandelt) und andere sind indirekt.

Indirekte Reparaturmechanismen hängen von der Rekombination ab. Das heißt, um den Schaden in einem DNA-Molekül zu reparieren, wird ein anderes homologes Molekül verwendet. Dies würde bei der reparativen Rekombination als Vorlage dienen, unter der es Schaden erlitten hat.

Bedeutung als Konsequenz: die Erzeugung genetischer Variabilität

Die Rekombination kann während der Meiose eine enorme Variabilität der Chromosomen erzeugen. Die somatische Rekombination erzeugt auch Variabilität, wie im Fall von Antikörpern bei Wirbeltieren.

In vielen Organismen ist Meiose gametisch. Bei sich sexuell reproduzierenden Organismen erweist sich die Rekombination als eine der wirksamsten Methoden, um Variabilität zu erzeugen.

Das heißt, zur spontanen Mutation und Chromosomensegregation muss die Rekombination als ein weiteres Element hinzugefügt werden, das eine gametische Variabilität erzeugt.

Die Integration von Bakteriophagengenomen durch ortsspezifische Rekombination hat andererseits zur Umgestaltung des Genoms ihrer Wirtsbakterien beigetragen.

Dies hat zur Erzeugung genomischer Variabilität und Evolution dieser wichtigen Gruppe von Lebewesen beigetragen.

Rekombination und Gesundheit

Wir haben bereits gesehen, dass DNA repariert werden kann, aber nicht, was sie beschädigt. In Wirklichkeit kann fast alles die DNA beschädigen, angefangen bei einer fehlerhaften Replikation, die nicht korrigiert wird.

Darüber hinaus kann DNA durch UV-Licht, ionisierende Strahlung, freie Sauerstoffradikale aus der Zellatmung und durch das, was wir essen, rauchen, atmen, aufnehmen oder berühren, beschädigt werden.

Glücklicherweise müssen Sie nicht aufgeben, um die DNA zu schützen. Bestimmte Dinge müssen aufgegeben werden, aber die große Arbeit wird von der Zelle selbst erledigt. Diese Mechanismen zum Nachweis von Schäden an der DNA und ihrer Reparatur haben offensichtlich eine genetische Grundlage, und ihr Mangel hat enorme Konsequenzen.

Krankheiten, die mit Defekten bei der homologen Rekombination zusammenhängen, umfassen beispielsweise Bloom- und Werner-Syndrom, familiären Brust- und Eierstockkrebs usw.

Verweise

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