HOMOLOGE REKOMBINATION: FUNKTIONEN, MECHANISMEN UND ANWENDUNGEN - BIOLOGIE - 2025

Die homologe Rekombination ist ein Prozess, bei dem DNA-Moleküle zwischen ähnlichen oder identischen Abschnitten des Genoms ausgetauscht werden. Zellen verwenden homologe Rekombination hauptsächlich, um Brüche im genetischen Material zu reparieren und genetische Variationen in Populationen zu erzeugen.

Im Allgemeinen beinhaltet die homologe Rekombination die physikalische Paarung zwischen homologen Bereichen des genetischen Materials, gefolgt vom Aufbrechen der Ketten, die den Austausch erfahren werden, und schließlich der Vereinigung der neuen kombinierten DNA-Moleküle.

Rekombination zwischen zwei homologen Chromosomen.
Quelle: Emw

DNA-Brüche müssen so schnell und effizient wie möglich repariert werden. Wenn der Schaden nicht repariert wird, können die Folgen schwerwiegend und sogar tödlich sein. Bei Bakterien besteht die Hauptfunktion der homologen Rekombination darin, diese Brüche im genetischen Material zu reparieren.

Die homologe Rekombination wird als einer der Hauptmechanismen angesehen, die die Stabilität des Genoms ermöglichen. Es ist in allen Lebensbereichen und sogar in Viren vorhanden, daher ist es vermutlich ein lebenswichtiger Mechanismus, der sehr früh in der Entwicklung des Lebens auftrat.

Historische Perspektive

Eines der wichtigsten von Gregor Mendel vorgeschlagenen Prinzipien ist die Unabhängigkeit bei der Trennung von Charakteren. Nach diesem Gesetz werden die verschiedenen Gene unabhängig voneinander von Eltern zu Kind weitergegeben.

Im Jahr 1900 war jedoch das Vorhandensein sehr deutlicher Ausnahmen von diesem Prinzip offensichtlich. Die englischen Genetiker Bateson und Punnett haben gezeigt, dass bestimmte Merkmale oft zusammen vererbt werden, und für diese Merkmale hat das von Mendel angegebene Prinzip keine Gültigkeit.

Nachfolgende Forschungen konnten die Existenz des Rekombinationsprozesses aufklären, bei dem Zellen in der Lage waren, genetisches Material auszutauschen. In Fällen, in denen die Gene zusammen vererbt wurden, wurde die DNA aufgrund der physischen Nähe zwischen den Genen nicht ausgetauscht.

Was ist homologe Rekombination?

Die homologe Rekombination ist ein zelluläres Phänomen, bei dem DNA-Sequenzen zwischen zwei Chromosomen ausgetauscht werden. Die Rekombination umfasst eine Reihe von Genen, die als rec-Gene bekannt sind. Diese kodieren für verschiedene Enzyme, die am Prozess beteiligt sind.

DNA-Moleküle gelten als "homolog", wenn sie ähnliche oder identische Sequenzen von mehr als 100 Basenpaaren aufweisen. DNA hat kleine Regionen, die sich voneinander unterscheiden können, und diese Varianten werden als Allele bezeichnet.

In Lebewesen wird die gesamte DNA als rekombinante DNA betrachtet. Der Austausch von genetischem Material zwischen Chromosomen erfolgt kontinuierlich, wobei die Gene auf den Chromosomen gemischt und neu angeordnet werden.

Dieser Prozess tritt offensichtlich bei der Meiose auf. Speziell in der Phase, in der sich Chromosomen in der ersten Zellteilung paaren. In diesem Stadium findet der Austausch von genetischem Material zwischen Chromosomen statt.

Historisch gesehen wird dieser Prozess in der Literatur mit dem angelsächsischen Wort Crossover bezeichnet. Dieses Ereignis ist eines der Ergebnisse der homologen Rekombination.

Die Häufigkeit des Übergangs zwischen zwei Genen desselben Chromosoms hängt hauptsächlich von der Entfernung ab, die zwischen ihnen besteht. Je kleiner der physikalische Abstand zwischen ihnen ist, desto geringer ist die Austauschfrequenz.

Funktionen und Konsequenzen der homologen Rekombination

Genetisches Material ist ständig Schäden ausgesetzt, die durch endogene und exogene Quellen wie beispielsweise Strahlung verursacht werden.

Es wird geschätzt, dass menschliche Zellen eine signifikante Anzahl von DNA-Läsionen in der Größenordnung von zehn bis Hunderten pro Tag aufweisen. Diese Läsionen müssen repariert werden, um mögliche schädliche Mutationen, Replikations- und Transkriptionsblöcke sowie Schäden auf chromosomaler Ebene zu vermeiden.

Aus medizinischer Sicht führen DNA-Schäden, die nicht korrekt repariert werden, zur Entwicklung von Tumoren und anderen Pathologien.

Die homologe Rekombination ist ein Ereignis, das die DNA-Reparatur ermöglicht und die Wiederherstellung verlorener Sequenzen unter Verwendung des anderen (homologen) DNA-Strangs als Matrize ermöglicht.

Dieser Stoffwechselprozess ist in allen Lebensformen vorhanden und bietet einen High-Fidelity-Mechanismus, mit dem "Lücken" in der DNA, doppelsträngige Brüche und Vernetzungen zwischen DNA-Strängen repariert werden können.

Eine der wichtigsten Folgen der Rekombination ist die Erzeugung neuer genetischer Variationen. Zusammen mit Mutationen sind dies die beiden Prozesse, die Variationen bei Lebewesen erzeugen - denken Sie daran, dass Variation der Rohstoff für die Evolution ist.

Darüber hinaus bietet es einen Mechanismus zum Zurücksetzen beschädigter Replikationsgabeln.

In Bakterien

Bei Bakterien treten häufig horizontale Gentransferereignisse auf. Diese werden als Konjugation, Transformation und Transduktion klassifiziert. Hier entnehmen Prokaryoten DNA einem anderen Organismus und sogar verschiedenen Arten.

Während dieser Prozesse tritt eine homologe Rekombination zwischen der Empfängerzelle und der Spenderzelle auf.

Mechanismus

Die homologe Rekombination beginnt mit dem Bruch in einem der Stränge des chromosomalen DNA-Moleküls. Anschließend erfolgt eine Reihe von Schritten, die durch mehrere Enzyme katalysiert werden.

Das 3'-Ende, an dem der Schnitt auftritt, wird vom homologen Doppelstrang der DNA befallen. Der Invasionsprozess ist entscheidend. Mit "homologe Kette" meinen wir die Teile der Chromosomen, die dieselben Gene in linearer Reihenfolge aufweisen, obwohl die Nukleotidsequenzen nicht identisch sein müssen.

Synapse

Durch diese Invasion des Strangs stehen sich homologe Chromosomen gegenüber. Dieses Phänomen der Begegnung mit Threads wird als Synapse bezeichnet (nicht zu verwechseln mit der Synapse in Neuronen, hier wird der Begriff mit einer anderen Bedeutung verwendet).

Die Synapse impliziert nicht notwendigerweise einen direkten Kontakt zwischen beiden homologen Sequenzen, die DNA kann sich eine Weile weiter bewegen, bis sie den homologen Teil findet. Dieser Suchvorgang wird als homologe Ausrichtung bezeichnet.

D-Loop-Bildung

Dann tritt ein Ereignis namens "Stranginvasion" auf. Ein Chromosom ist eine Doppelhelix der DNA. Bei der homologen Rekombination suchen zwei Chromosomen nach ihren homologen Sequenzen. In einer der Helices trennen sich die Stränge und dieser Strang "dringt" in die Doppelhelixstruktur ein und bildet die Struktur, die als D-Schleife bezeichnet wird.

Der D-Loop-Strang wurde durch das Eindringen des Bruchstrangs verschoben und paart sich mit dem komplementären Strang der ursprünglichen Doppelhelix.

Holliday Junction Formation

Der nächste Schritt ist die Bildung der Holliday-Gewerkschaften. Hier werden die Enden der ausgetauschten Stränge miteinander verbunden. Diese Vereinigung hat die Fähigkeit, sich in jede Richtung zu bewegen. Das Gelenk kann mehrmals brechen und sich bilden.

Der letzte Rekombinationsprozess ist die Auflösung dieser Gewerkschaften, und es gibt zwei oder mehrere Möglichkeiten, wie die Zelle dies erreicht. Eine davon ist die Spaltung der Vereinigung oder ein Prozess, der als Auflösung bezeichnet wird und für eukaryotische Organismen typisch ist.

Beim ersten Mechanismus werden durch Brechen der Holliday-Verbindung zwei Ketten regeneriert. In dem anderen "Auflösungs" -Ereignis tritt eine Art Zusammenbruch in der Union auf.

Beteiligte Proteine

Ein entscheidendes Protein im Rekombinationsprozess heißt Rad51 in eukaryotischen Zellen und RecA in Escherichia coli. Es funktioniert in den verschiedenen Phasen der Rekombination: vor, während und nach der Synapse.

Das Rad51-Protein erleichtert die Bildung der physikalischen Verbindung zwischen der eindringenden DNA und der temperierten DNA. In diesem Prozess wird die Heteroduplex-DNA erzeugt.

Rad51 und sein RecA-Gegenstück katalysieren die Suche nach homologer DNA und den Austausch von DNA-Strängen. Diese Proteine ​​haben die Fähigkeit, kooperativ an Einzelband-DNA zu binden.

Es gibt auch Paralog-Gene (die aus Gen-Duplikationsereignissen in einer Linie von Organismen stammen) von Rad51, Rad55 und Rad57 genannt. Beim Menschen wurden fünf Rad51-Paralog-Gene identifiziert, die als Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 und Xrcc3 bezeichnet werden.

Anomalien im Zusammenhang mit Rekombinationsprozessen

Da die Rekombination eine physikalische Bindung an Chromosomen erfordert, ist dies ein entscheidender Schritt für eine ordnungsgemäße Trennung während der Meiose. Wenn keine ordnungsgemäße Rekombination auftritt, kann das Ergebnis eine schwerwiegende Pathologie sein.

Die Nicht-Disjunktion von Chromosomen oder Fehler bei der Segregation ist eine der häufigsten Ursachen für Abtreibungen und Anomalien chromosomalen Ursprungs, wie die Trisomie von Chromosom 21, die das Down-Syndrom verursacht.

Obwohl die Rekombination normalerweise ein ziemlich präziser Prozess ist, neigen Regionen des Genoms, die wiederholt werden, und Gene, die mehrere Kopien im gesamten Genom aufweisen, zu ungleichmäßiger Überkreuzung.

Diese Kreuzung erzeugt verschiedene klinisch relevante Merkmale, einschließlich häufiger Krankheiten wie Thalassämie und Autismus.

Rekombinationsanwendungen

Molekularbiologen haben das Wissen über den Mechanismus der homologen Rekombination genutzt, um verschiedene Technologien zu entwickeln. Eine davon ermöglicht die Erzeugung von "Knockout" -Organismen.

Diese genetisch veränderten Organismen ermöglichen es, die Funktion eines interessierenden Gens aufzuklären.

Eine der Methoden zur Erzeugung von Knockouts besteht in der Unterdrückung der Expression des spezifischen Gens durch Ersetzen des ursprünglichen Gens durch eine modifizierte oder "beschädigte" Version. Das Gen wird mittels homologer Rekombination gegen die mutierte Version ausgetauscht.

Andere Arten der Rekombination

Neben der homologen oder legitimen Rekombination gibt es andere Arten des Austauschs von genetischem Material.

Wenn die Regionen der DNA, die Material austauschen, nicht allelisch sind (homologe Chromosomen), ist das Ergebnis eine Verdoppelung oder Reduktion von Genen. Dieser Prozess ist als nicht homologe Rekombination oder ungleiche Rekombination bekannt.

Zusammen kann genetisches Material auch zwischen Schwesterchromatiden auf demselben Chromosom ausgetauscht werden. Dieser Prozess findet sowohl in der meiotischen als auch in der mitotischen Abteilung statt und wird als ungleicher Austausch bezeichnet.

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