Rekombinacja genów to wymiana materiału genetycznego między różnymi organizmami. Skutkuje to produkcją potomstwa o kombinacjach cech różniących się od tych występujących u obojga rodziców. Większość z tych wymian genetycznych zachodzi naturalnie.
Jak to się dzieje
Rekombinacja genów rozpoczyna się w wyniku separacji genów podczas tworzenia gamet podczas mejozy, zapłodnienia i krzyżowania. Krzyżowanie umożliwia allelom na cząsteczkach DNA zmianę pozycji z jednego homologicznego segmentu chromosomu na inny. Rekombinacja odpowiada za różnorodność genetyczną gatunku lub populacji.
Struktura chromosomów
Chromosomy znajdują się w jądrze komórkowym. Powstają z chromatyny, masy materiału genetycznego złożonego z DNA, który jest ciasno owinięty wokół białek zwanych histonami. Chromosom jest zwykle jednoniciowy i składa się z regionu centromeru, który łączy regiony długie i krótkie.
Powielanie chromosomów
Kiedy komórka wchodzi w swój cykl życiowy, jej chromosomysą powielane poprzez replikację DNA w ramach przygotowań do podziału. Każdy zduplikowany chromosom składa się z dwóch identycznych, zwanych chromatydami siostrzanymi. Są one związane z regionem centromeru. Kiedy komórki dzielą się, tworzą się sparowane zestawy. Składają się z jednego chromosomu (homologicznego) od każdego rodzica.
Wymiana chromosomalna
Rekombinacja genów podczas krzyżowania została po raz pierwszy opisana przez Thomasa Hunta Morgana. U eukariontów ułatwia to krzyżowanie chromosomów. Proces krzyżowania powoduje, że potomstwo ma różne kombinacje genów i może wytwarzać nowe chimeryczne allele. Pozwala to organizmom rozmnażającym się płciowo uniknąć zapadki Moellera, w której genomy bezpłciowej populacji gromadzą delecje genetyczne w nieodwracalny sposób.
Podczas profazy I cztery chromatydy są ściśle połączone. W tej formacji miejsca homologiczne w dwóch cząsteczkach mogą ściśle sparować się ze sobą i wymieniać informacje genetyczne. Rekombinacja genów może wystąpić w dowolnym miejscu chromosomu. Jego częstotliwość między dwoma punktami zależy od odległości, która je dzieli.
Znaczenie
Śledzenie ruchu genów w wyniku skrzyżowań okazało się bardzo przydatne dla genetyków. Umożliwia to określenie, jak daleko od siebie znajdują się dwa geny na chromosomie. Nauka może również wykorzystać tę metodę do wnioskowania o obecności pewnych genów. Jedna cząsteczka w połączonej parze służy jako marker do wykrywania obecności drugiej. Służy do wykrywania obecności patogenówgeny.
Częstotliwość rekombinacji między dwoma obserwowanymi loci jest wartością przecięcia. Zależy to od wzajemnej odległości obserwowanych ognisk genetycznych. Dla dowolnego ustalonego zestawu warunków środowiskowych, rekombinacja w określonym regionie struktury wiązania (chromosom) ma tendencję do bycia stałą. To samo dotyczy wartości przecięcia, która jest używana podczas generowania map genetycznych.
Mejoza
Skrzyżowanie chromosomów obejmuje wymianę sparowanych chromosomów odziedziczonych po każdym z rodziców. Ważną rolę w tym procesie odgrywa mejoza, jako podstawa rekombinacji genów. Modele molekularne tego procesu ewoluowały na przestrzeni lat w miarę gromadzenia dowodów. Nowy model pokazuje, że dwie z czterech chromatyd obecnych na początku mejozy (profaza I) są ze sobą sparowane i mogą wchodzić w interakcje. Zachodzi w nim rekombinacja chromosomów i genów. Jednak wyjaśnienia adaptacyjnej funkcji mejozy, które skupiają się wyłącznie na przecięciu, są niewystarczające dla większości wydarzeń giełdowych.
Mitoza i chromosomy niehomologiczne
W komórkach eukariotycznych crossover może również wystąpić podczas mitozy. W efekcie powstają dwie komórki z identycznym materiałem genetycznym. Jakiekolwiek skrzyżowanie, które zachodzi między homologicznymi chromosomami w mitozie, nie wytwarza nowej kombinacji genów.
Skrzyżowanie, które występuje w niehomologicznych chromosomach, może spowodować mutację znaną jakotranslokacja. Występuje, gdy segment chromosomu oddziela się i przesuwa do nowej pozycji na niehomologicznej cząsteczce. Ten rodzaj mutacji może być niebezpieczny, ponieważ często prowadzi do rozwoju komórek rakowych.
Konwersja genów
Kiedy geny są transformowane, część materiału genetycznego jest kopiowana z jednego chromosomu do drugiego bez zmiany dawcy. Konwersja genów odbywa się z dużą częstotliwością w rzeczywistej lokalizacji. Jest to proces, w którym sekwencja DNA jest kopiowana z jednej helisy do drugiej. Rekombinację genów i chromosomów badano w krzyżówkach grzybów, gdzie wygodnie jest obserwować cztery produkty poszczególnych mejoz. Zdarzenia konwersji genów można odróżnić jako odchylenia w podziale poszczególnych komórek od normalnej segregacji 2:2.
Inżynieria genetyczna
Rekombinacja genów może być sztuczna i celowa. Stosuje się go na różnych fragmentach DNA, często pochodzących z różnych organizmów. W ten sposób otrzymuje się zrekombinowany DNA. Sztuczną rekombinację można wykorzystać do dodawania, usuwania lub zmiany genów organizmu. Metoda ta jest ważna dla badań biomedycznych w dziedzinie inżynierii genetycznej i białkowej.
Odzyskiwanie rekombinowane
Podczas mitozy i mejozy DNA uszkodzone przez różne czynniki egzogenne może zostać uratowane przez etap naprawy homologicznej (HRS). U ludzi i gryzoni niedobór produktów genów wymaganych do FGF podczas mejozy powoduje bezpłodność.
Bakterietransformacja to proces transferu genów, który zwykle zachodzi między poszczególnymi komórkami tego samego gatunku. Polega na integracji DNA dawcy z chromosomem biorcy poprzez rekombinację genów. Proces ten jest adaptacją do naprawy uszkodzonych komórek. Transformacja może przynieść korzyści bakteriom chorobotwórczym, umożliwiając naprawę uszkodzeń DNA, które występują w zapalnym środowisku oksydacyjnym związanym z infekcją gospodarza.
Kiedy dwa lub więcej wirusów, z których każdy zawiera śmiertelne uszkodzenie genomu, infekuje tę samą komórkę gospodarza, genomy mogą kojarzyć się ze sobą i przechodzić przez FGP, tworząc żywotne potomstwo. Proces ten nazywa się reaktywacją wielokrotności. Został zbadany w kilku patogennych wirusach.
Rekombinacja w komórkach prokariotycznych
Komórki prokariotyczne, podobnie jak bakterie jednokomórkowe bez jądra, również przechodzą rekombinację genetyczną. W tym przypadku geny jednej bakterii są włączane do genomu innej poprzez krzyżowanie. Rekombinacja bakteryjna odbywa się poprzez procesy koniugacji, transformacji lub transdukcji.
W koniugacji jedna bakteria jest połączona z drugą przez białkową strukturę kanalikową. W procesie transformacji prokariota pobierają DNA ze środowiska. Najczęściej pochodzą z martwych komórek.
W transdukcji DNA jest wymieniane przez wirusa infekującego bakterie, zwanego bakteriofagiem. Gdy obca komórka zostanie zinternalizowana poprzez koniugację, transformację lub transdukcję,bakteria może wstawiać swoje segmenty do własnego DNA. Transfer ten odbywa się przez krzyżowanie i prowadzi do powstania zrekombinowanej komórki bakteryjnej.
