Chia sẻ:
Các chức năng, cơ chế và ứng dụng tái tổ hợp tương đồng
các tái tổ hợp tương đồng đó là một quá trình liên quan đến việc trao đổi các phân tử DNA giữa các phần tương tự hoặc giống hệt nhau trong bộ gen. Các tế bào sử dụng tái tổ hợp tương đồng chủ yếu để sửa chữa các đứt gãy trong vật liệu di truyền, tạo ra sự biến đổi di truyền trong quần thể.
Nói chung, tái tổ hợp tương đồng ngụ ý sự ghép cặp vật lý giữa các vùng tương đồng của vật liệu di truyền, sau đó là sự phá vỡ chuỗi sẽ trải qua quá trình trao đổi và cuối cùng là sự kết hợp của các phân tử DNA mới kết hợp.
Việc phá vỡ DNA phải được sửa chữa nhanh chóng và hiệu quả nhất có thể. Khi các thiệt hại không được sửa chữa, hậu quả có thể nghiêm trọng và thậm chí gây tử vong. Ở vi khuẩn, chức năng chính của tái tổ hợp tương đồng là sửa chữa những đứt gãy này trong vật liệu di truyền.
Tái tổ hợp tương đồng được coi là một trong những cơ chế chính cho phép sự ổn định của bộ gen. Nó có mặt trong tất cả các lĩnh vực của sự sống và thậm chí cả virus, vì vậy có lẽ đó là một cơ chế quan trọng xuất hiện rất sớm trong quá trình tiến hóa của sự sống.
Chỉ số
- 1 quan điểm lịch sử
- 2 Tái hợp tương đồng là gì?
- 3 Chức năng và hậu quả của tái hợp tương đồng
- 3.1 Ở vi khuẩn
- 4 cơ chế
- 4.1 Bản tóm tắt
- 4.2 Đào tạo vòng lặp D
- 4.3 Thành lập công đoàn Holliday
- 4.4 Protein liên quan
- 5 Bất thường liên quan đến quá trình tái hợp
- 6 ứng dụng tái hợp
- 7 loại tái hợp khác
- 8 tài liệu tham khảo
Quan điểm lịch sử
Một trong những nguyên tắc phù hợp nhất được đề xuất bởi Gregor Mendel là sự độc lập trong việc phân biệt các nhân vật. Theo luật này, các gen khác nhau truyền từ cha mẹ sang con một cách độc lập.
Tuy nhiên, vào năm 1900, sự tồn tại của các ngoại lệ rất rõ ràng đối với nguyên tắc này là hiển nhiên. Các nhà di truyền học người Anh Bateson và Punnett đã chứng minh rằng nhiều lần các nhân vật nhất định được di truyền cùng nhau, và đối với các đặc điểm này, nguyên tắc được Mendel đưa ra không có giá trị.
Các cuộc điều tra sau đó đã thành công trong việc làm sáng tỏ sự tồn tại của quá trình tái tổ hợp, nơi các tế bào có thể trao đổi vật liệu di truyền. Trong trường hợp các gen được di truyền cùng nhau, DNA không được trao đổi vì sự gần gũi về thể chất giữa các gen.
Tái hợp tương đồng là gì?
Tái tổ hợp tương đồng là một hiện tượng tế bào liên quan đến sự trao đổi vật lý các chuỗi DNA giữa hai nhiễm sắc thể. Tái tổ hợp liên quan đến một tập hợp các gen được gọi là gen rec. Các mã này cho các enzyme khác nhau tham gia vào quá trình.
Các phân tử DNA được coi là "tương đồng" khi chúng chia sẻ các chuỗi tương tự hoặc giống hệt nhau của hơn 100 cặp cơ sở. DNA có các vùng nhỏ có thể khác nhau và các biến thể này được gọi là các alen.
Ở những sinh vật sống, tất cả DNA được coi là DNA tái tổ hợp. Sự trao đổi vật liệu di truyền giữa các nhiễm sắc thể xảy ra liên tục, trộn lẫn và sắp xếp lại các gen trong nhiễm sắc thể.
Quá trình này xảy ra rõ ràng trong bệnh teo cơ. Cụ thể trong giai đoạn mà các nhiễm sắc thể được ghép nối trong phân chia tế bào đầu tiên. Ở giai đoạn này, sự trao đổi vật liệu di truyền giữa các nhiễm sắc thể xảy ra.
Trong lịch sử, quá trình này được chỉ định trong tài liệu sử dụng từ Anglo-Saxon băng qua. Sự kiện này là một trong những kết quả của sự tái hợp tương đồng.
Tần số của băng qua giữa hai gen của cùng một nhiễm sắc thể phụ thuộc chủ yếu vào khoảng cách giữa hai gen; khoảng cách vật lý giữa chúng càng nhỏ, tần số trao đổi càng thấp.
Chức năng và hậu quả của tái hợp tương đồng
Các vật liệu di truyền liên tục tiếp xúc với thiệt hại, gây ra bởi các nguồn nội sinh và ngoại sinh, chẳng hạn như bức xạ, ví dụ.
Người ta ước tính rằng các tế bào của con người có một số lượng tổn thương đáng kể trong DNA, theo thứ tự hàng chục đến hàng trăm mỗi ngày. Những tổn thương này cần được sửa chữa để tránh các đột biến tiềm ẩn, tắc nghẽn trong sao chép và phiên mã và thiệt hại ở cấp độ nhiễm sắc thể.
Từ quan điểm y học, tổn thương DNA không được sửa chữa chính xác dẫn đến sự phát triển của các khối u và các bệnh lý khác.
Tái tổ hợp tương đồng là một sự kiện cho phép sửa chữa DNA, cho phép phục hồi các chuỗi bị mất, sử dụng làm khuôn mẫu cho chuỗi DNA khác (tương đồng).
Quá trình trao đổi chất này có mặt trong tất cả các dạng của sự sống, cung cấp một cơ chế có độ trung thực cao cho phép sửa chữa các "khoảng trống" trong DNA, phá vỡ chuỗi kép và liên kết chéo giữa các chuỗi DNA.
Một trong những hậu quả có liên quan nhất của tái tổ hợp là tạo ra biến thể di truyền mới. Cùng với đột biến, chúng là hai quá trình tạo ra sự biến đổi trong sinh vật - hãy nhớ rằng biến thể là nguyên liệu thô cho sự tiến hóa.
Ngoài ra, nó cung cấp một cơ chế để khởi động lại các nhánh sao chép đã bị hỏng.
Ở vi khuẩn
Ở vi khuẩn, thường xuyên có sự kiện chuyển gen ngang. Chúng được phân loại là liên hợp, biến đổi và tải nạp. Ở đây, prokaryote lấy DNA từ một sinh vật khác, và thậm chí từ các loài khác nhau.
Trong các quá trình này, tái tổ hợp tương đồng xảy ra giữa tế bào người nhận và tế bào người hiến.
Cơ chế
Sự tái tổ hợp tương đồng bắt đầu bằng sự phá vỡ một trong các chuỗi của phân tử DNA nhiễm sắc thể. Sau đó, một loạt các bước được xúc tác bởi nhiều enzyme xảy ra.
Đầu 3 'nơi vết cắt xảy ra bị xâm lấn bởi chuỗi DNA tương đồng kép. Quá trình xâm lược là rất quan trọng. Với "chuỗi tương đồng", chúng tôi muốn đề cập đến các phần của nhiễm sắc thể có cùng gen theo thứ tự tuyến tính, mặc dù các trình tự nucleotide không phải giống hệt nhau.
Synapses
Sự xâm lấn của sợi này đặt các nhiễm sắc thể tương đồng đối diện với nhau. Hiện tượng gặp phải chuỗi này được gọi là khớp thần kinh (không bị nhầm lẫn với các khớp thần kinh trong tế bào thần kinh, ở đây thuật ngữ này được sử dụng với nghĩa khác).
Synapse không nhất thiết ngụ ý sự tiếp xúc trực tiếp giữa cả hai chuỗi tương đồng, DNA có thể tiếp tục di chuyển trong một thời gian cho đến khi tìm thấy phần tương đồng. Quá trình tìm kiếm này được gọi là liên kết tương đồng.
Sự hình thành của vòng lặp D
Sau đó, một sự kiện gọi là "cuộc xâm lược của chủ đề" xảy ra. Một nhiễm sắc thể là một chuỗi xoắn kép của DNA. Trong tái tổ hợp tương đồng, hai nhiễm sắc thể tìm kiếm các chuỗi tương đồng của chúng. Trong một trong các vòng xoắn, các sợi tách ra và sợi này "xâm chiếm" cấu trúc xoắn kép, tạo thành cấu trúc gọi là vòng D.
Chuỗi của vòng D đã bị thay thế bởi sự xâm lấn của sợi thể hiện sự đứt gãy và các cặp với chuỗi bổ sung của chuỗi xoắn kép ban đầu.
Thành lập công đoàn Holliday
Bước tiếp theo là sự hình thành các nút giao Holliday. Ở đây, kết thúc của các chủ đề trao đổi được liên kết. Liên minh này có khả năng di chuyển theo bất kỳ hướng nào. Liên minh có thể bị phá vỡ và hình thành nhiều lần.
Quá trình tái hợp cuối cùng là giải quyết các mối nối này và có hai cách hoặc cách thức mà tế bào đạt được nó. Một trong số đó là sự phân tách của liên minh hoặc một quá trình gọi là giải thể, điển hình của sinh vật nhân chuẩn.
Trong cơ chế đầu tiên, sự phá vỡ liên minh của Holliday tái tạo hai chuỗi. Trong trường hợp "giải thể" khác xảy ra một loại sụp đổ trong liên minh.
Protein liên quan
Một protein quan trọng của quá trình tái hợp được gọi là Rad51 trong các tế bào nhân chuẩn và RecA trong Escherichia coli. Nó hoạt động trong các giai đoạn tái hợp khác nhau: trước, trong và sau khớp thần kinh.
Protein Rad51 tạo điều kiện cho sự hình thành mối liên hệ vật lý giữa DNA xâm lấn và DNA nóng. Trong quá trình này, DNA dị vòng được tạo ra.
Rad51, và RecA tương đồng của nó, xúc tác cho việc tìm kiếm DNA tương đồng và trao đổi các chuỗi DNA. Những protein này có khả năng tham gia hợp tác với một DNA băng đơn.
Ngoài ra còn có các gen di truyền (bắt nguồn từ các sự kiện sao chép gen trong một dòng sinh vật) của Rad51, được gọi là Rad55 và Rad57. Ở người, năm gen par51 Rad51 được gọi là Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 và Xrcc3 đã được xác định..
Bất thường liên quan đến quá trình tái hợp
Vì sự tái tổ hợp đòi hỏi sự ràng buộc vật lý trong nhiễm sắc thể, đó là một bước quan trọng trong sự phân tách chính xác trong quá trình phân bào. Nếu tái hợp đầy đủ không xảy ra, kết quả có thể là một bệnh lý đáng kể.
Sự không phân biệt nhiễm sắc thể hoặc sai sót trong sự phân ly là một trong những nguyên nhân thường gặp nhất của phá thai và dị thường về nguồn gốc nhiễm sắc thể, chẳng hạn như trisomy của nhiễm sắc thể 21, gây ra hội chứng Down.
Mặc dù tái tổ hợp thường là một quá trình khá chính xác, các vùng của bộ gen được lặp lại và các gen có nhiều bản sao dọc theo bộ gen là các yếu tố dễ bị vượt qua bất bình đẳng.
Sự giao thoa này tạo ra các đặc điểm lâm sàng khác nhau, bao gồm các bệnh thường gặp như thalassemia và tự kỷ..
Các ứng dụng tái hợp
Các nhà sinh học phân tử đã tận dụng kiến thức về cơ chế tái hợp tương đồng để tạo ra các công nghệ khác nhau. Một trong số đó cho phép tạo ra các sinh vật "loại trực tiếp".
Những sinh vật biến đổi gen này cho phép làm sáng tỏ chức năng của một gen quan tâm.
Một trong những phương pháp được sử dụng để tạo ra loại trực tiếp nó bao gồm việc ngăn chặn sự biểu hiện của gen cụ thể thay thế gen ban đầu bằng phiên bản sửa đổi hoặc "bị hỏng". Gen này được trao đổi cho phiên bản đột biến bằng phương pháp tái tổ hợp tương đồng.
Các loại tái hợp khác
Ngoài tái tổ hợp tương đồng hoặc hợp pháp, còn có các loại trao đổi vật chất di truyền khác.
Khi các vùng của DNA trao đổi vật liệu là không allelic (của nhiễm sắc thể tương đồng), kết quả là sự nhân đôi hoặc giảm gen. Quá trình này được gọi là tái hợp không tương đồng hoặc tái hợp không đồng đều.
Cùng với nhau, vật liệu di truyền cũng có thể được trao đổi giữa các nhiễm sắc thể chị em của cùng một nhiễm sắc thể. Quá trình này xảy ra trong cả phân chia meotic và phân bào, và được gọi là trao đổi bất bình đẳng.
Tài liệu tham khảo
- Baker, T. A., Watson, J. D., & Bell, S. P. (2003). Sinh học phân tử của gen. Công ty xuất bản Benjamin-Cummings.
- Devlin, T. M. (2004). Hóa sinh: sách giáo khoa với các ứng dụng lâm sàng. Tôi đã đảo ngược.
- Jasin, M., & Rothstein, R. (2013). Sửa chữa đứt dây bằng cách tái hợp tương đồng. Quan điểm của Cold Spring Harbor trong sinh học, 5(11), a012740.
- Li, X., & Heyer, W. D. (2008). Tái tổ hợp tương đồng trong sửa chữa DNA và khả năng chịu thiệt hại DNA. Nghiên cứu tế bào, 18(1), 99-113.
- Murray, P.R., Rosenthal, K.S., & Pfaller, M.A. (2017). Vi sinh y học. Khoa học sức khỏe Elsevier.
- Nussbaum, R. L., McInnes, R. R., & Willard, H. F. (2015). Di truyền học của Thompson & Thompson trong sách điện tử. Khoa học sức khỏe Elsevier.
- Virgili, R. O., & Taboada, J. M. V. (2006). Bộ gen người: những tiến bộ mới trong nghiên cứu, chẩn đoán và điều trị. Edicions Đại học Barcelona.