การรวมตัวกันใหม่ทางพันธุกรรม: ประเภทและกลไก - ชีววิทยา

การรวมตัวกันใหม่ทางพันธุกรรมเป็นกระบวนการที่โมเลกุลของชิ้นส่วนกรดนิวคลีอิกแลกเปลี่ยนกันทำให้เกิดโมเลกุลใหม่ พบได้บ่อยใน DNA แต่ RNA ยังเป็นสารตั้งต้นสำหรับการรวมตัวกันใหม่ การเกิดใหม่คือหลังจากการกลายพันธุ์ซึ่งเป็นแหล่งที่มาที่สำคัญที่สุดของการสร้างความแปรปรวนทางพันธุกรรม

ดีเอ็นเอมีส่วนร่วมในกระบวนการทางชีวเคมีที่แตกต่างกัน ในระหว่างการจำลองแบบจะทำหน้าที่เป็นแม่แบบสำหรับการสร้างโมเลกุลดีเอ็นเอใหม่สองโมเลกุล ในการถอดความทำให้สามารถสร้างโมเลกุล RNA จากบริเวณเฉพาะที่ควบคุมโดยโปรโมเตอร์

ขั้นตอนทั่วไปของการรวมตัวกันของดีเอ็นเอ Juergen Bode ผ่าน Wikimedia Commons

แต่นอกเหนือจากนี้ DNA ยังสามารถแลกเปลี่ยนชิ้นส่วน ด้วยกระบวนการนี้จะสร้างชุดค่าผสมใหม่ที่ไม่ใช่ผลิตภัณฑ์ของสองกระบวนการก่อนหน้านี้หรือการปฏิสนธิ

กระบวนการรวมตัวใหม่ทั้งหมดเกี่ยวข้องกับการทำลายและการรวมกันของโมเลกุลดีเอ็นเอที่เข้าร่วมในกระบวนการ กลไกนี้แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับสารตั้งต้นการรวมตัวใหม่เอนไซม์ที่เข้าร่วมในกระบวนการและกลไกการทำงานของมัน

การรวมตัวกันใหม่โดยทั่วไปขึ้นอยู่กับการมีอยู่ของส่วนเสริมที่คล้ายกัน (ถ้าไม่เหมือนกัน) หรือบริเวณที่เป็นเนื้อเดียวกันระหว่างโมเลกุลที่รวมกันใหม่ ในกรณีที่โมเลกุลรวมตัวกันใหม่ในกระบวนการที่ไม่ได้รับการชี้นำโดย homology การรวมตัวกันใหม่จะกล่าวว่าไม่เหมือนกัน

หากความคล้ายคลึงกันเกี่ยวข้องกับบริเวณที่สั้นมากที่มีอยู่ในโมเลกุลทั้งสองการรวมตัวกันใหม่จะถูกกล่าวว่าเป็นไซต์เฉพาะ

คำนิยาม

สิ่งที่เราเรียกว่า homology ในการรวมตัวกันใหม่ไม่จำเป็นต้องอ้างถึงแหล่งกำเนิดวิวัฒนาการของโมเลกุลที่เข้าร่วม แต่เรากำลังพูดถึงระดับของความคล้ายคลึงกันในลำดับนิวคลีโอไทด์

ตัวอย่างเช่นการรวมตัวกันใหม่แบบไม่ซ่อมแซมเกิดขึ้นในยูคาริโอตระหว่างกระบวนการไมโอซิส ไม่ต้องสงสัยเลยว่าจะไม่มีความคล้ายคลึงกันมากไปกว่าโครโมโซมคู่หนึ่งในเซลล์เดียวกัน

นั่นคือเหตุผลที่เรียกว่าโครโมโซมที่เหมือนกัน อย่างไรก็ตามมีบางกรณีที่ DNA ของเซลล์แลกเปลี่ยนวัสดุกับ DNA ต่างประเทศ ดีเอ็นเอเหล่านี้จะต้องคล้ายกับการรวมตัวกันใหม่ แต่ไม่จำเป็นต้องมีบรรพบุรุษเดียวกัน (homology) เพื่อให้บรรลุสิ่งนี้

Chiasm และ crossover

ที่ตั้งของการเชื่อมต่อและการแลกเปลี่ยนระหว่างโมเลกุลของดีเอ็นเอสองตัวเรียกว่าไคอาสซึมและกระบวนการนี้เรียกว่าการเชื่อมขวาง ในระหว่างการครอสโอเวอร์จะมีการตรวจสอบการแลกเปลี่ยนแบนด์ระหว่างดีเอ็นเอที่เข้าร่วม

สิ่งนี้จะสร้าง cointegrate ซึ่งเป็นโมเลกุลดีเอ็นเอสองตัวที่รวมกันเป็นหนึ่งเดียว เมื่อ cointegrate "แก้ไข" โมเลกุลสองตัวจะถูกสร้างขึ้นโดยทั่วไปจะมีการเปลี่ยนแปลง (recombinant)

ในการ "แก้ปัญหา" ในบริบทของการรวมตัวกันใหม่คือการแยกโมเลกุลดีเอ็นเอขององค์ประกอบของ cointegrate

ประเภทของการรวมตัวกันใหม่ทางพันธุกรรม

- การรวมกันใหม่เฉพาะไซต์

ในการรวมตัวกันใหม่เฉพาะไซต์โมเลกุลของดีเอ็นเอสองตัวโดยทั่วไปไม่เหมือนกันมีลำดับสั้น ๆ เหมือนกันสำหรับทั้งคู่ ลำดับนี้เป็นเป้าหมายของเอนไซม์ splicing เฉพาะ

เอนไซม์ที่สามารถรับรู้ลำดับนี้ได้และไม่ใช่อีกชนิดหนึ่งจะตัดมันที่บริเวณใดตำแหน่งหนึ่งในโมเลกุลทั้งสอง ด้วยความช่วยเหลือของปัจจัยอื่น ๆ มันจะสลับแถบดีเอ็นเอของโมเลกุลที่เข้าร่วมทั้งสองและก่อตัวเป็น cointegrate

Escherichia coli

นี่เป็นพื้นฐานสำหรับการก่อตัวของ cointegrate ระหว่างจีโนมของแบคทีเรีย Escherichia coli และของ bacteriophage lambda แบคเทอริโอเฟจเป็นไวรัสที่ติดเชื้อแบคทีเรีย

การก่อตัวของ cointegrate นี้ดำเนินการโดยเอนไซม์ที่เข้ารหัสในจีโนมของไวรัส: lambda integrase มันจดจำลำดับทั่วไปที่เรียกว่า attP ในจีโนมวงกลมของไวรัสและ attB ในแบคทีเรีย

ด้วยการตัดลำดับทั้งสองในโมเลกุลทั้งสองจะสร้างเซกเมนต์อิสระสลับแถบและเชื่อมจีโนมทั้งสอง จากนั้นจะเกิดวงกลมขนาดใหญ่ขึ้นหรือมีรอยหยัก

ในการรวมตัวกันจีโนมของไวรัสจะถูกส่งผ่านโดยจีโนมของแบคทีเรียซึ่งมันจะจำลองแบบ ในสถานะนี้มีการกล่าวว่าไวรัสอยู่ในสถานะโปรไวรัสและแบคทีเรียนั้นเป็นไลโซเจนิกสำหรับมัน

กระบวนการย้อนกลับนั่นคือความละเอียดของ cointegrate อาจใช้เวลาหลายชั่วอายุคนหรือแม้กระทั่งไม่เกิดขึ้น อย่างไรก็ตามการทำเช่นนี้เป็นสื่อกลางของเอนไซม์โดยโปรตีนอื่นที่เข้ารหัสโดยจีโนมของไวรัสที่เรียกว่า excisionase เมื่อเกิดเหตุการณ์นี้ไวรัสจะแยกตัวออกจาก cointegrate เปิดใช้งานอีกครั้งและทำให้เซลล์แตก

-Homologous recombination

การรวมกันใหม่โดยทั่วไป

การรวมตัวกันเป็นเนื้อเดียวกันเกิดขึ้นระหว่างโมเลกุลของดีเอ็นเอที่มีความคล้ายคลึงกันอย่างน้อยประมาณ 40 นิวคลีโอไทด์หรือเกือบสมบูรณ์ ในการดำเนินกระบวนการรวมตัวใหม่จะต้องเกี่ยวข้องกับ endonuclease อย่างน้อยหนึ่งตัว

เอนโดนิวคลีเอสเป็นเอนไซม์ที่ทำการตัดภายในดีเอ็นเอ บางคนทำเพื่อย่อยสลายดีเอ็นเอ อื่น ๆ เช่นในกรณีของการรวมตัวกันใหม่ทำเพื่อสร้างรอยบุ๋มในดีเอ็นเอ

นิคที่ไม่เหมือนใครนี้ช่วยให้สามารถประมวลผล DNA แบบแบนด์เดียวได้โดยไม่มีจุดสิ้นสุด การสิ้นสุดอิสระนี้ซึ่งมุ่งเน้นโดยรีคอมบิเนสช่วยให้วงดนตรีเดี่ยวสามารถบุกรุกดีเอ็นเอคู่ได้โดยแทนที่แถบถิ่นที่อยู่ที่เหมือนกัน

นี่คือจุดที่ข้ามระหว่างโมเลกุลดีเอ็นเอของผู้บริจาค ("ผู้รุกราน") กับตัวรับอื่น

เอนไซม์ (recombinase) ที่ทำกระบวนการบุกรุกและแลกเปลี่ยนแบนด์ใน Escherichia coli เรียกว่า RecA มีโปรตีนที่คล้ายคลึงกันอื่น ๆ ในโปรคาริโอตเช่น RadA ในอาร์เคีย ในยูคาริโอตเอนไซม์เทียบเท่าเรียกว่า RAD51

เมื่อวงดนตรีที่รุกรานแทนที่ถิ่นที่อยู่มันจะโต้ตอบกับวงดนตรีที่เหลืออยู่ในโมเลกุลของผู้บริจาค ทั้งสองไซต์ถูกปิดผนึกโดยการกระทำของลิเกส

ตอนนี้เรามี DNA ของวงไฮบริด (วงดนตรีผู้บริจาคและวงดนตรีผู้รับจากต้นกำเนิดที่แตกต่างกัน) ขนาบข้างด้วยดีเอ็นเอของผู้บริจาคและดีเอ็นเอของผู้รับ จุดครอสโอเวอร์ (Chiasmata) เคลื่อนที่ไปในทั้งสองทิศทางอย่างน้อย 200 bp

แต่ละจุดของครอสโอเวอร์สร้างสิ่งที่เรียกว่าโครงสร้างฮอลิเดย์ (ผลิตภัณฑ์ดีเอ็นเอไม้กางเขนของเหตุการณ์การรวมตัวกันใหม่)

ดีเอ็นเอไขว้นี้ต้องได้รับการแก้ไขโดยเอนโดนิวคลีเอสอื่น Chimeric หรือ DNA ลูกผสมของโครงสร้างนี้สามารถแก้ไขได้สองวิธี ถ้าการตัดเอนโดนิวคลีโอไทด์ครั้งที่สองเกิดขึ้นในแถบเดียวกันกับอันแรกจะไม่มีการรวมตัวกันใหม่ หากการตัดครั้งที่สองเกิดขึ้นในแถบอื่นผลิตภัณฑ์ที่ได้จะถูก recombinant

Recombinant DNA ในโครงสร้าง Holliday es.m.wikipedia.org/wiki/File:Mao-4armjunction-schematic.png

การรวมตัวใหม่ V (D) J

นี่คือรูปแบบของการรวมตัวกันของร่างกาย (ไม่ใช่ไมโอติก) ที่ก่อให้เกิดความแปรปรวนอย่างมากของแอนติบอดีของระบบภูมิคุ้มกัน

การรวมตัวกันใหม่นี้เกิดขึ้นในชิ้นส่วนเฉพาะของยีนที่เป็นรหัสสำหรับโซ่โพลีเปปไทด์ที่กำหนดพวกมัน ดำเนินการโดยเซลล์ B และเกี่ยวข้องกับบริเวณพันธุกรรมที่แตกต่างกัน

ที่น่าสนใจคือมีปรสิตเช่น Trypanosoma brucei ที่ใช้กลไกการรวมตัวใหม่ที่คล้ายกันเพื่อสร้างความแปรปรวนในแอนติเจนที่พื้นผิว ด้วยวิธีนี้พวกมันสามารถหลบเลี่ยงการตอบสนองของโฮสต์ได้หากโฮสต์ล้มเหลวในการสร้างแอนติบอดีที่สามารถรับรู้แอนติเจน "ใหม่" ได้

ความหลากหลายของแอนติบอดีที่สร้างขึ้นโดยการรวมตัวกันใหม่ es.m.wikipedia.org/wiki/File:Cambio_clase_recombinacion.PNG

- การรวมตัวกันใหม่ที่ไม่เหมือนกัน

สุดท้ายมีกระบวนการรวมตัวกันใหม่ที่ไม่ขึ้นอยู่กับความคล้ายคลึงกันในลำดับของโมเลกุลที่เข้าร่วม ตัวอย่างเช่นในยูคาริโอตการรวมกันใหม่ของปลายที่ไม่เหมือนกันมีความสำคัญมาก

สิ่งนี้เกิดขึ้นกับชิ้นส่วนดีเอ็นเอที่แสดงการแบ่งแถบคู่ในดีเอ็นเอ เซลล์เหล่านี้ "ซ่อมแซม" โดยเซลล์เชื่อมต่อกับชิ้นส่วนอื่น ๆ ด้วย

อย่างไรก็ตามโมเลกุลเหล่านี้ไม่จำเป็นต้องมีความคล้ายคลึงกันเพื่อเข้าร่วมในกระบวนการรวมตัวใหม่นี้ นั่นคือโดยการซ่อมแซมความเสียหายเซลล์สามารถเชื่อมต่อกับดีเอ็นเอที่ไม่เกี่ยวข้องกันได้ดังนั้นการสร้างโมเลกุลใหม่ (recombinant)

ความสำคัญของการรวมตัวกันใหม่

ความสำคัญเป็นสาเหตุ: การจำลองและซ่อมแซมดีเอ็นเอ

การรวมกันใหม่ช่วยให้มั่นใจได้ถึงความเที่ยงตรงของข้อมูลดีเอ็นเอระหว่างและหลังกระบวนการจำลองแบบ การรวมตัวใหม่จะตรวจจับความเสียหายของดีเอ็นเอในระหว่างกระบวนการรัดใหม่ในโมเลกุลขนาดใหญ่ที่ยาวมากนี้

เนื่องจากแต่ละวงมีข้อมูลของตัวเองและข้อมูลประกอบการรวมกันใหม่จึงรับประกันได้ว่าไม่มีการสูญหาย แต่ละคนทำหน้าที่เป็นพยานให้อีกฝ่าย ในทำนองเดียวกันในสิ่งมีชีวิตซ้ำโครโมโซมที่เหมือนกันจะเป็นพยานถึงพี่น้องของมันและในทางกลับกัน

ในทางกลับกันเมื่อ DNA ได้รับการจำลองแบบแล้วกลไกการซ่อมแซมความเสียหายของโมเลกุลนี้จะแตกต่างกันไป บางส่วนเป็นทางตรง (การบาดเจ็บเกิดขึ้นโดยตรง) และอื่น ๆ เป็นทางอ้อม

กลไกการซ่อมแซมทางอ้อมขึ้นอยู่กับการรวมตัวกันใหม่ที่จะเกิดขึ้น นั่นคือเพื่อซ่อมแซมความเสียหายในโมเลกุลดีเอ็นเอจะใช้โมเลกุลที่คล้ายคลึงกันอีกตัวหนึ่ง สิ่งนี้จะทำหน้าที่ในการซ่อมแซมการรวมกันใหม่เป็นเทมเพลตที่ได้รับความเสียหาย

ความสำคัญอันเป็นผลมา: การสร้างความแปรปรวนทางพันธุกรรม

การรวมตัวกันใหม่สามารถสร้างความแปรปรวนของโครโมโซมได้อย่างมหาศาลในระหว่างไมโอซิส การรวมตัวกันของร่างกายยังทำให้เกิดความแปรปรวนเช่นเดียวกับในกรณีของแอนติบอดีในสัตว์มีกระดูกสันหลัง

ไมโอซิสในสิ่งมีชีวิตหลายชนิดเป็นเกมเมติก ในสิ่งมีชีวิตที่สืบพันธุ์แบบอาศัยเพศการรวมตัวกันใหม่กลายเป็นวิธีที่ทรงพลังที่สุดวิธีหนึ่งในการสร้างความแปรปรวน

กล่าวคือในการกลายพันธุ์ที่เกิดขึ้นเองและการแยกโครโมโซมจะต้องเพิ่มการรวมตัวใหม่เป็นองค์ประกอบอื่นที่สร้างความแปรปรวนทางเกม

ในทางกลับกันการรวมจีโนมของแบคเทอริโอเฟจโดยการรวมตัวกันใหม่เฉพาะไซต์มีส่วนช่วยในการเปลี่ยนแปลงจีโนมของแบคทีเรียที่เป็นโฮสต์

สิ่งนี้มีส่วนทำให้เกิดความแปรปรวนของจีโนมและวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตที่สำคัญกลุ่มนี้

การสร้างใหม่และสุขภาพ

เราได้เห็นแล้วว่า DNA สามารถซ่อมแซมได้ แต่ไม่เสียหายอะไร ในความเป็นจริงเกือบทุกอย่างสามารถทำลาย DNA ได้โดยเริ่มจากการจำลองแบบผิดพลาดที่ไม่ได้รับการแก้ไข

แต่นอกเหนือจากนั้น DNA อาจได้รับความเสียหายจากแสงยูวีรังสีไอออไนซ์อนุมูลอิสระของออกซิเจนที่เกิดจากการหายใจของเซลล์และสิ่งที่เรากินสูบบุหรี่หายใจกินเข้าไปหรือสัมผัส

โชคดีที่คุณไม่ต้องสละชีวิตเพื่อปกป้อง DNA บางอย่างต้องยอม แต่งานใหญ่ทำโดยเซลล์เอง กลไกเหล่านี้ในการตรวจจับความเสียหายของ DNA และการซ่อมแซมของมันนั้นมีพื้นฐานทางพันธุกรรมและความบกพร่องของมันส่งผลกระทบมหาศาล

โรคที่เกี่ยวข้องกับข้อบกพร่องในการรวมตัวกันที่เหมือนกัน ได้แก่ กลุ่มอาการของ Bloom และ Werner มะเร็งเต้านมในครอบครัวและมะเร็งรังไข่เป็นต้น

อ้างอิง

Alberts, B. , Johnson, AD, Lewis, J. , Morgan, D. , Raff, M. , Roberts, K. , Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6th Edition) WW Norton & Company, New York, NY, USA
Bell, JC, Kowalczykowski, SC (2016) กลศาสตร์และการสอบสวนโมเลกุลเดี่ยวของการรวมตัวกันของดีเอ็นเอ การทบทวนชีวเคมีประจำปี 85: 193-226
Prado, F. () การรวมกันใหม่ที่คล้ายคลึงกัน: To Fork and Beyond ยีนดอย: 10.3390 / gene9120603
Griffiths, AJF, Wessler, R. , Carroll, SB, Doebley, J. (2015). ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับการวิเคราะห์ทางพันธุกรรม (ฉบับที่ 11) นิวยอร์ก: WH Freeman, New York, NY, USA
Tock, AJ, Henderson, IR (2018) ฮอตสปอตสำหรับการเริ่มต้นการรวมตัวใหม่ของ Meiotic พรมแดนในพันธุศาสตร์ดอย: 10.3389 / fgene.2018.00521
Wahl, A. , Battesti, A. , Ansaldi, M. (2018) คำทำนายในเชื้อ Salmonella enterica: แรงผลักดันในการปรับรูปแบบจีโนมและสรีรวิทยาของโฮสต์แบคทีเรีย? จุลชีววิทยาโมเลกุลดอย: 10.1111 / mmi.14167
Wright, WD, Shah, SS, Heyer, WD (2018) การรวมตัวกันใหม่แบบ Homologous และการซ่อมแซมการแตกหักของ DNA สองเส้น วารสารเคมีชีวภาพ, 293: 10524-10535

การรวมตัวกันใหม่ทางพันธุกรรม: ประเภทและกลไก - ชีววิทยา - 2026