Rekombinacija gena je izmjena genetskog materijala između različitih organizama. To rezultira stvaranjem potomstva s kombinacijama osobina koje se razlikuju od onih koje se nalaze u oba roditelja. Većina ovih genetskih razmjena odvija se prirodno.
Kako se to događa
Rekombinacija gena počinje kao rezultat odvajanja gena tijekom formiranja gameta tijekom mejoze, oplodnje i križanja. Križanje omogućuje alelima na molekulama DNK promjenu položaja s jednog homolognog segmenta kromosoma na drugi. Rekombinacija je odgovorna za genetsku raznolikost vrste ili populacije.
struktura kromosoma
Kromosomi se nalaze unutar jezgre stanica. Nastaju od kromatina, mase genetskog materijala napravljenog od DNK koji je čvrsto omotan oko proteina zvanih histoni. Kromosom je obično jednolančani i sastoji se od regije centromera koja povezuje dugu i kratku regiju.
Duplikacija kromosoma
Kada stanica uđe u svoj životni ciklus, njezini kromosomiumnožavaju se replikacijom DNK u pripremi za diobu. Svaki duplicirani kromosom sastoji se od dva identična kromosoma, koja se nazivaju sestrinske kromatide. Oni su povezani s regijom centromera. Kada se stanice podijele, nastaju upareni skupovi. Sastoje se od jednog kromosoma (homolognog) od svakog roditelja.
Kromosomska razmjena
Rekombinaciju gena tijekom križanja prvi je opisao Thomas Hunt Morgan. Kod eukariota je to olakšano križanjem kromosoma. Proces križanja rezultira time da potomci imaju različite kombinacije gena i mogu proizvesti nove himerne alele. To omogućuje organizmima koji se spolno razmnožavaju da izbjegnu Moellerovu klopku, u kojoj genomi aseksualne populacije akumuliraju genetska brisanja na nepovratan način.
Tijekom profaze I, četiri kromatide su čvrsto povezane. U ovoj formaciji, homologna mjesta na dvije molekule mogu se usko upariti jedna s drugom i razmjenjivati genetske informacije. Rekombinacija gena može se dogoditi bilo gdje duž kromosoma. Njegova frekvencija između dvije točke ovisi o udaljenosti koja ih dijeli.
Značenje
Praćenje kretanja gena kao rezultat križanja pokazalo se vrlo korisnim za genetičare. To omogućuje određivanje koliko su dva gena udaljena na kromosomu. Znanost također može koristiti ovu metodu kako bi zaključila prisutnost određenih gena. Jedna molekula u vezanom paru služi kao marker za otkrivanje prisutnosti druge. Koristi se za otkrivanje prisutnosti patogenageni.
Učestalost rekombinacije između dva promatrana lokusa je vrijednost presjeka. Ovisi o međusobnoj udaljenosti promatranih genetskih žarišta. Za bilo koji fiksni skup okolišnih uvjeta, rekombinacija u određenoj regiji strukture veze (kromosom) ima tendenciju da bude konstantna. Isto vrijedi i za vrijednost presjeka, koja se koristi pri generiranju genetskih karata.
mejoza
Kromosomsko križanje uključuje razmjenu uparenih kromosoma naslijeđenih od svakog roditelja. Mejoza, kao osnova rekombinacije gena, igra važnu ulogu u tom procesu. Molekularni modeli ovog procesa evoluirali su tijekom godina kako su se dokazi nakupljali. Novi model pokazuje da su dvije od četiri kromatide prisutne na početku mejoze (profaza I) uparene jedna s drugom i da su sposobne za interakciju. U njemu se odvija rekombinacija kromosoma i gena. Međutim, objašnjenja adaptivne funkcije mejoze koja se usredotočuju isključivo na sjecište nisu dovoljna za većinu događaja razmjene.
Mitoza i nehomologni kromosomi
U eukariotskim stanicama, križanje se također može dogoditi tijekom mitoze. To rezultira dvije stanice s identičnim genetskim materijalom. Bilo koje križanje koje se dogodi između homolognih kromosoma u mitozi ne proizvodi novu kombinaciju gena.
Ukrštanje koje se događa u nehomolognim kromosomima može proizvesti mutaciju poznatu kaotranslokacija. Javlja se kada se segment kromosoma odvoji od nehomologne molekule i pomakne na novu poziciju. Ova vrsta mutacije može biti opasna jer često dovodi do razvoja kancerogenih stanica.
Pretvorba gena
Kada se geni transformiraju, dio genetskog materijala se kopira s jednog kromosoma na drugi bez promjene donora. Pretvorba gena događa se visokom frekvencijom na stvarnom mjestu. Ovo je proces kojim se sekvenca DNK kopira iz jedne spirale u drugu. Rekombinacija gena i kromosoma proučavana je u križanjima gljiva, gdje je prikladno promatrati četiri produkta pojedinačnih mejoza. Događaji konverzije gena mogu se razlikovati kao odstupanja u diobi pojedinačnih stanica od normalne segregacije 2:2.
Gensko inženjerstvo
Rekombinacija gena može biti umjetna i namjerna. Koristi se na različitim fragmentima DNK, često iz različitih organizama. Tako se dobiva rekombinantna DNK. Umjetna rekombinacija može se koristiti za dodavanje, uklanjanje ili promjenu gena organizma. Ova metoda je važna za biomedicinska istraživanja u području genetskog i proteinskog inženjeringa.
Rekombinantni oporavak
Tijekom mitoze i mejoze, DNK oštećena raznim egzogenim čimbenicima može se spasiti korakom homolognog popravka (HRS). Kod ljudi i glodavaca, nedostatak genskih proizvoda potrebnih za FGF tijekom mejoze uzrokuje neplodnost.
Bakterijetransformacija je proces prijenosa gena koji se obično događa između pojedinačnih stanica iste vrste. Uključuje integraciju DNK donora u kromosom primatelja putem rekombinacije gena. Ovaj proces je prilagodba za popravak oštećenih stanica. Transformacija može koristiti patogenim bakterijama dopuštajući popravak oštećenja DNK do kojih dolazi u upalnom, oksidativnom okruženju povezanom s infekcijom domaćina.
Kada dva ili više virusa, od kojih svaki sadrži smrtonosno genomsko oštećenje, inficiraju istu stanicu domaćina, genomi se mogu međusobno pariti i proći kroz FGP kako bi proizveli održivo potomstvo. Taj se proces naziva višestruka reaktivacija. Proučavano je u nekoliko patogenih virusa.
Rekombinacija u prokariotskim stanicama
Prokariotske stanice, poput jednostaničnih bakterija bez jezgre, također prolaze kroz genetsku rekombinaciju. U ovom slučaju križanjem se geni jedne bakterije uključuju u genom druge. Bakterijska rekombinacija se provodi procesima konjugacije, transformacije ili transdukcije.
U konjugaciji, jedna bakterija je povezana s drugom putem proteinske cjevaste strukture. U procesu transformacije, prokarioti uzimaju DNK iz okoline. Najčešće dolaze iz mrtvih stanica.
U transdukciji, DNK se izmjenjuje putem virusa koji inficira bakterije, poznatog kao bakteriofag. Nakon što se strana stanica internalizira konjugacijom, transformacijom ili transdukcijom,bakterija može umetnuti svoje segmente u vlastitu DNK. Ovaj prijenos se provodi križanjem i dovodi do stvaranja rekombinantne bakterijske stanice.
