recombinação genética. A recombinação está na biologia

A recombinação é um processo que garante a mistura de genes ao longo de várias gerações. Durante a formação das células germinativas, os genes recebidos dos pais são “embaralhados” e apenas metade dos genes dos pais entra em cada gameta. Na fertilização, os genes dos dois pais são combinados aleatoriamente no zigoto. A combinação desses dois processos aleatórios - o embaralhamento de genes em células generativas e o encontro de gametas - garante a singularidade do conjunto de genes em cada organismo.

Este processo foi descoberto no início do século XX. com base na análise dos resultados dos cruzamentos. Agora, no estudo da recombinação, todo o arsenal de métodos modernos de análise molecular e biologia Celular. E, no entanto, o processo permanece em grande parte misterioso. Até agora, há debates acalorados sobre por que a recombinação é necessária. Não está claro por que é tão complicado e aparentemente organizado de forma ilógica. Não está claro como seus pontos quentes e frios são distribuídos por todo o genoma. Tentemos responder a essas perguntas considerando a recombinação à luz da evolução.

Por que a recombinação é necessária?

A recombinação é o principal gerador da diversidade fenotípica, aquela mesma com a qual opera a seleção natural, aquelas diferenças entre organismos que desempenham um papel decisivo em sua luta pela existência. Tendemos a pensar que essas diferenças são determinadas por mutações genéticas. Isso é verdadeiro e falso ao mesmo tempo.

Mutações mudam os genes. Um gene pode ser irreconhecivelmente corrompido por uma mutação, alterado para reter uma função (sinônimo) ou perdê-la. Devemos entender claramente que a função de cada gene é determinada por sua interação com outros genes. Portanto, tanto a função do gene quanto suas alterações devem ser consideradas exclusivamente dentro da estrutura de um via metabólica ou rede gênica regulatória na qual os produtos desse gene estão envolvidos. Um gene sem sentido ou incorreto de uma rede genética pode adquirir um significado novo e inesperado em outra; um sinônimo em um contexto para ser um antônimo em outro. Assim, as mutações alteram o fenótipo não por si mesmas, mas em combinação com outros genes.

A variedade de fenótipos que observamos é a variedade incorporada de combinações de genes. E como a recombinação garante a geração constante de mais e mais novas combinações, temos todo o direito de chamar esse mecanismo maravilhoso de gerador de diversidade fenotípica.

A recombinação parece ter surgido simultaneamente ou logo após o aparecimento da vida. No entanto, no início ela era tímida e esporádica. E assim permanece no mundo dos procariontes. As bactérias às vezes entram em contato umas com as outras e trocam informações genéticas, com mais frequência quando sua vida piora. Mas não se segue daí que a recombinação certamente facilite a vida deles, aumente sua adaptabilidade. Isso lhes dá uma chance, uma esperança de que a nova combinação de genes seja útil.

A recombinação regular, planejada e obrigatória apareceu muito mais tarde, simultaneamente ou logo após o surgimento das células eucarióticas. Esta suposição é apoiada pelo fato de que na grande maioria dos eucariotos modernos, a recombinação ocorre regularmente, e seus mecanismos moleculares e celulares nas mais organismos diferentes surpreendentemente semelhantes. Também encontramos semelhanças no fato de que em todos eles a recombinação está de alguma forma ligada à reprodução. Nos eucariotos, diferentemente das bactérias, os resultados da recombinação não aparecem nos próprios organismos, mas em seus descendentes.

Se compararmos a reprodução de organismos assexuados (não-recombinantes) e sexuados (recombinando regularmente), ficaremos imediatamente impressionados com a impressionante ineficiência desta última variante de reprodução. Imagine duas ilhas. Em um vivem um macho e uma fêmea, capazes de reprodução sexuada e, conseqüentemente, de recombinação. Do outro, duas fêmeas se reproduzem assexuadamente. Limitemos a fecundidade de ambas as fêmeas a dois descendentes. Após o primeiro ciclo reprodutivo, quatro filhotes nascerão em uma ilha assexuada e dois em uma sexual. Se na ilha sexual os dois filhotes nascidos forem do mesmo sexo, toda a história terminará aí. Se uma fêmea e um macho nascerem, esse par produzirá mais dois filhos, e oito deles nascerão em uma ilha sem sexo. Assim, sob determinadas condições, a população de uma ilha sem sexo crescerá exponencialmente, enquanto em uma ilha sexual ela permanecerá igual a dois indivíduos. Obviamente, a eficiência da reprodução assexuada é muito maior (Fig. 1).

Figura 1.

Por que, então, em eucariotos, como regra, reprodução sexuada e assexuada - apenas rara exceção? Precisamente porque a recombinação é possível durante a reprodução sexual. Mas se os organismos de reprodução sexuada perdem tanto para os assexuados na eficiência da reprodução, então a recombinação deve dar-lhes vantagens que mais do que cobrem essa perda gigantesca. O que eles são?

Voltemos às nossas ilhas especulativas. E em uma e na outra ilha ocorrem mutações nas células geradoras de seus habitantes. Em princípio, é impossível proteger completamente contra mutações, porque a cópia de DNA está inevitavelmente associada a elas. A maioria das mutações são prejudiciais. Paradoxalmente, mutações muito prejudiciais não são tão perigosas para o pool genético de uma população quanto as não muito prejudiciais. Mutações muito nocivas são incompatíveis com a vida, seus portadores são imediatamente descartados e, portanto, tais mutações não se acumulam no pool genético. E as não muito nocivas são passadas para seus descendentes, então eles têm novas mutações não muito nocivas e, como resultado, o pool genético da população assexuada se degrada lenta mas seguramente (Fig. 2, a).

Figura 2.

O notável geneticista Hermann Möller foi o primeiro a chamar a atenção para a lenta mas constante degradação do pool genético assexuado devido ao acúmulo consistente de mutações não muito prejudiciais. Agora mesmo em Literatura científica esse processo é chamado de catraca de Möller. Møller mostrou que populações assexuadas, apesar da pressão do processo de mutação, podem manter sua existência devido a números muito altos e forte pressão de seleção estabilizadora, devido à qual portadores de mutações não muito nocivas morrem rapidamente e clones livres de mutações levam seus Lugar, colocar.

No entanto, a catraca Möller tem outra característica desagradável. Quanto mais genes um organismo tem, mais mutações ele acumula. A probabilidade de uma única mutação genética é de aproximadamente 10-5 por gameta por geração. Isso significa que cada segundo de 10.000 gametas contendo 5.000 genes (é quantos deles em bactérias) carrega uma nova mutação. Se houver 30.000 genes em um gameta, como temos em mamíferos, então cada um dos 10.000 gametas carrega uma média de três novas mutações. Assim, a terceira condição que permite à espécie viver com a catraca de Möller é o pequeno tamanho do genoma e, consequentemente, a relativa simplicidade de organização.

Um meio poderoso e radical de combater a catraca de Möller é a recombinação. Ao embaralhar os genes durante a formação dos gametas, pode sobrecarregar alguns gametas com mutações e, ao mesmo tempo, sobrecarregar outros. Como resultado, indivíduos que surgiram de gametas sobrecarregados com mutações morrem, e os produtos de gametas livres de mutações florescem (Fig. 2b). Isso permite que os organismos recombinados se livrem das restrições impostas pela catraca Möller. Eles têm o luxo de ter genomas grandes. Disso segue-se que somos todos superiores e mais complexos porque nossos ancestrais unicelulares distantes descobriram a recombinação e criaram mecanismos que garantem o embaralhamento regular dos genes de geração em geração.

A hipótese de Möller não é a única explicação para os benefícios da recombinação. Altamente revisões detalhadas hipóteses sobre os benefícios da recombinação são dadas nos livros de J. Manard Smith e M. Ridley.

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Introdução

A recombinação genética é um importante processo de reorganização do material genético, devido à troca de segmentos individuais de duplas hélices de DNA, levando ao surgimento de novas combinações de genes.

A recombinação genética é o principal fator na variabilidade do genoma, a base da maioria de suas alterações, que determina a seleção natural, micro e macroevolução.

A recombinação pode ocorrer pela troca de núcleos celulares, moléculas inteiras de DNA ou partes de moléculas. Enquanto os processos de replicação e reparo do DNA garantem a reprodução e preservação do material genético, a recombinação leva à variabilidade genética.

Ele foi desenvolvido em todos os organismos vivos: em eucariotos, em bactérias e até mesmo durante a reprodução de vírus, incluindo aqueles cujo material genético consiste em RNA.

Embaralhamento de cromossomos na meiose, levando a uma enorme variedade de gametas, fusão aleatória de gametas durante a fertilização, troca de partes entre cromossomos homólogos- tudo isso (e não apenas isso) se refere à recombinação.

A dupla hélice do DNA normalmente não interage com outros segmentos de DNA e, nas células, os diferentes cromossomos são espacialmente separados no núcleo. Essa distância entre os diferentes cromossomos é importante para a capacidade do DNA de atuar como um portador de informação estável. No processo de recombinação com a ajuda de enzimas, duas fitas de DNA quebram, trocam seções, após o que a continuidade das fitas é restaurada.

Existem dois tipos principais de recombinação genética:

1) "legítimo" (comum, ou homólogo), em que há troca de seções homólogas (idênticas) de moléculas de DNA;

2) "ilegal" (não homóloga), que se baseia na troca de regiões de DNA não homólogas.

A recombinação genética é chamada sítio-específica se a troca entre diferentes moléculas de DNA for realizada apenas em áreas com sequências de nucleotídeos estritamente definidas, se em algum lugar da molécula de DNA for sítio-inespecífico.

1 . Zach

A recombinação genética legítima geralmente não é específica do local, embora muitas vezes em bactérias e organismos superiores ela possa mostrar características de especificidade do local, ou seja, seletividade para certas sequências de nucleotídeos de DNA (os chamados hotspots de recombinação). Tais sequências aumentam acentuadamente a frequência de recombinação nas regiões do genoma em que estão localizadas.

A recombinação genética legal ocorre, por exemplo, entre duas cópias de um cromossomo. Em eucariotos (todos os organismos, com exceção de bactérias e algas verde-azuladas), a troca mais típica de seções de cromossomos homólogos na meiose (divisão celular, que resulta em diminuição do número de cromossomos nas células filhas - o estágio principal na formação de células germinativas). Essa troca pode ocorrer entre cromossomos fortemente conjugados durante os estágios iniciais do desenvolvimento do óvulo ou do esperma. Menos frequentemente, a recombinação genética legal é realizada durante a divisão celular normal (com a preservação do número de cromossomos) - mitose.

Em procariontes (bactérias e algas verde-azuladas), que não possuem meiose e possuem apenas uma molécula de DNA em seu genoma, a recombinação genética legítima está associada a tal formas naturais troca e transferência de material genético conjugação(os cromossomos da célula doadora são transferidos para o receptor através da ponte-pil protoplasmática), transformação(DNA penetra do ambiente através da membrana celular), transdução(A transferência de DNA é realizada por um bacteriófago, ou um vírus de bactérias). Nos vírus, a recombinação genética ocorre quando eles infectam as células. Após a lise celular, os vírus são detectados com DNA recombinante. Nos procariontes, a recombinação genética é realizada por proteínas celulares especiais (muitas delas são enzimas).

1.1 Recombinação genética homóloga

O mecanismo molecular da recombinação genética legítima é baseado no princípio de "reunião de ruptura" de duas moléculas de DNA homólogas. Este processo é chamado de cruzamento, inclui várias etapas intermediárias:

1) reconhecimento de sites;

2) ruptura e reunião recíproca (cross-wise) de moléculas: substituição de algumas cadeias por homólogas;

3) eliminação de erros resultantes de emparelhamento incorreto de seções.

Um ponto de troca pode ocorrer em qualquer sítio de sequências homólogas de nucleotídeos de cromossomos envolvidos na troca. Nesse caso, geralmente não há alteração nas sequências de nucleotídeos no ponto de troca. A precisão da quebra e reunião é extremamente alta: nem um único nucleotídeo é perdido, adicionado ou transformado em qualquer outro.

Tudo o que foi dito sobre homologia de DNA e complementaridade de cadeias polinucleotídicas refere-se à recombinação homóloga, ou geral, baseada no pareamento de cadeias de DNA complementares. Difere de outros tipos de processos de recombinação pela necessidade de uma homologia comum (em todo o comprimento das moléculas) entre os DNAs recombinados e a participação de um grande conjunto de proteínas especiais. A recombinação homóloga começa com o aparecimento em um ou ambos os duplexes de seções de fitas simples de DNA, que então, com a ajuda de proteínas especiais, encontram sequências complementares no duplex homólogo e formam um heteroduplex com elas - a chave Produto intermediário recombinação (intermediária). resultado final recombinação será a troca de partes iguais de moléculas homólogas

Da recombinação geral pode-se distinguir como caso especial chamada recombinação ectópica. Consiste em trocas (crossovers) entre seções separadas DNA homólogo espalhado por todo o genoma. Estes incluem uma variedade de elementos móveis, assim chamados pela capacidade de se mover pelo genoma, genes para transporte e RNA ribossômico, histonas e muitas outras sequências repetitivas (repetições) de DNA. Essa recombinação homóloga local é interessante principalmente porque pode levar a rearranjos cromossômicos, embora papel biológico isso não termina aí. Isso é apenas parte dos possíveis rearranjos dos cromossomos. Outros tipos deles podem surgir dependendo da orientação das repetições de DNA em relação umas às outras (diretas ou inversas) e de onde elas estão localizadas: dentro do mesmo cromossomo, em cromátides irmãs ou em cromossomos diferentes. Apesar de ocorrerem trocas entre sítios locais de homologia, a recombinação ectópica é realizada principalmente pelas mesmas proteínas que as homólogas.

1.2 Modelo de férias

A consideração da recombinação homóloga é impossível sem o modelo geral de crossing over, publicado em 1964 pelo geneticista americano R. Holliday. O modelo era formal, sem detalhar os mecanismos moleculares das reações de recombinação; não considerava as proteínas que as realizavam, pois no início dos anos 60 a maioria delas não era conhecida. Mas apenas no momento em que começou desenvolvimento rápido genética molecular, e aconteceu que os novos resultados experimentais se encaixaram bem no modelo de Holliday, complementando-o e refinando-o. Essencialmente, a história da genética molecular da recombinação é o desenvolvimento do modelo de Holliday. Ele é projetado para cruzamento meiótico. Lembre-se de que o núcleo de uma célula meiótica na prófase I contém quatro cromátides homólogas, mas apenas duas delas participam de cada ato individual de crossing over.

Em princípio, para que as moléculas de DNA homólogas troquem suas partes, as quebras devem ocorrer primeiro em todas as fitas de ambos os duplexes, e só então - a troca de fitas e o fechamento das quebras. Com o Holliday, as pausas não ocorrem simultaneamente, mas em duas etapas. A recombinação começa com quebras primárias de fita simples nas ligações fosfodiéster do DNA (elas são introduzidas pela enzima endonuclease). As quebras ocorrem em dois circuitos da mesma polaridade. Holliday também postulou que as quebras primárias não ocorrem aleatoriamente, mas em locais específicos no DNA. Posteriormente, essa ideia recebeu confirmação experimental.

Além dos pontos de quebras primárias, ocorre a troca de cadeias entre os duplexes, o que leva à formação de uma estrutura cruciforme, que mais tarde ficou conhecida como semi-quiasma de Holliday. Esse nome é explicado pelo fato de apenas duas das quatro fitas de DNA estarem envolvidas na troca em um semi-quiasma, o que o distingue de um quiasma completo, produto característico de um crossing-over meiótico completo, há muito conhecido pelos biólogos. Então ocorre um processo muito importante - o movimento do ponto de cruzamento da cadeia no hemiquiasma ao longo dos duplexes recombinados. Este fenômeno é descrito sob o nome de "migração de filial". Consiste no seguinte: a partir do ponto de cruzamento da cadeia, os duplexes iniciais são destorcidos e as cadeias liberadas imediatamente hibridizam com cadeias complementares de duplexes homólogos, o que leva à formação e posterior alongamento de um heteroduplex (B/b). É no alongamento do heterodúplex que reside o significado biológico da migração ramificada. É realizado por enzimas especiais. As dimensões do heterodúplex durante o cruzamento meiótico variam de várias centenas a mil bp; durante a recombinação em células somáticas e procarióticas, é ainda mais longo.

O heteroduplex é formado. A estrutura ramificada complexa resultante deve ser dividida em homólogos. Isso é chamado de resolução do semi-quiasma. Mais duas interrupções são necessárias para resolver: as interrupções secundárias completarão a troca do circuito. Mas antes que isso aconteça, o semi-quiasma deve passar por mais uma transformação - isomerização. A isomerização é uma mudança na estrutura do semi-quiasma, que ocorre devido ao movimento térmico usual das moléculas. As estruturas em e em" são idênticas. Na estrutura em" há uma rotação de 180 de qualquer par de segmentos duplex (braços). A estrutura resultante pode ser resolvida por dois pares de rupturas secundárias. As quebras de pares de cadeias da mesma polaridade 1-1 ou 2-2 levam a dois tipos de cromátides recombinantes: as cromátides do primeiro tipo contêm um heterodúplex interno B / b, e a configuração dos marcadores de flanco A e C não difere da originais (cromátides não cruzadas); as cromátides recombinantes do segundo tipo são cruzadas, elas também contêm um heterodúplex, mas trocam partes em ambos os lados. Ambos os tipos de produtos de recombinação são igualmente prováveis, o que é consistente com os dados genéticos em que Holliday se baseou ao criar seu modelo.

Aqui você precisa fazer pequena digressão sobre um processo importante que ocorre no heteroduplex. Como já mencionado, diferentes alelos podem entrar no heterodúplex de recombinação das moléculas iniciais e, em seguida, aparecerão bases não pareadas, que rompem localmente a estrutura da dupla hélice do DNA. Esses distúrbios são reconhecidos por sistemas enzimáticos especiais que funcionam como reparo excisional. Eles corrigem bases não pareadas em um heterodúplex: removem uma base não pareada em uma fita de DNA e constroem a lacuna resultante no molde de outro alelo na fita complementar, transformando (convertendo) um alelo em outro. Esse fenômeno é conhecido há muito tempo como "conversão gênica", mas agora sabemos que é baseado na correção heterodúplex. Se uma célula heterozigota A / a entrar em meiose, normalmente, entre os produtos da meiose, ambos os alelos do gene A serão apresentados em proporção igual:2A:2a. No entanto, se ocorrer um crossing over na região do cromossomo onde o gene A está localizado, então se formará um heterodúplex A/a com bases localmente não pareadas, o que pode levar à conversão do gene A: a divisão dos alelos do gene entre os produtos da meiose será 3A: 1a ou 1A: 3a. A clivagem para genes localizados fora da região de crossover preservará a razão alélica normal de 2:2. Ao analisar o modelo de Holliday, vimos que produtos de recombinação contendo heteroduplex com e sem crossing over para genes externos são igualmente prováveis, ou seja, a conversão gênica em a meiose pode ser igualmente frequentemente acompanhada e não ser acompanhada por uma troca de genes externos. Esse fato foi o principal entre os dados genéticos mencionados acima, a partir dos quais Holliday criou seu modelo.

O modelo de Holliday é simétrico: as quebras primárias ocorrem simultaneamente em ambos os homólogos e a troca de fitas ocorre de forma síncrona. No entanto, existem dados genéticos sobre trocas assimétricas obtidas, em particular, em leveduras. Nesses casos, a quebra primária ocorre apenas em um duplex, então uma fita de DNA é separada do ponto de quebra, que é introduzida no duplex homólogo e, durante a migração de ramificação subsequente, desloca uma fita de mesma polaridade dela. Depois disso, a troca se torna simétrica.

Modelo Holliday nela forma moderna geralmente reconhecido e universal para procariontes e eucariotos (tanto para o sexo quanto para as células somáticas). Sua vantagem é o fato de ser bem verificado por dados genéticos, e quase todas as suas etapas foram aos poucos encontrando confirmação experimental. Os semi-quiasmas de Holliday são claramente visíveis sob um microscópio eletrônico. Foram encontradas endonucleases especiais (chamadas resolvases) que realizam a resolução do hemiquiasma. Até o momento, tais resolveses foram encontradas em bacteriófagos T4 e T7, E. coli, leveduras e humanos. Em E. coli, também foram identificadas proteínas que realizam a migração da ramificação do hemiquiasma.

2. Nezakuma recombinação genética

Originalmente, o termo recombinação ilegítima foi definido por Franklin como recombinação entre sequências com pouca ou nenhuma homologia.

Atualmente, faz sentido adotar uma definição mais ampla que exclua eventos de recombinação resultantes de atividade transposicional normal ou legítima ou a atividade de sistemas de recombinação especializados (por exemplo, inserção e liberação de DNA). Franklin considerou que a recombinação ilegítima poderia ser devido a erros nas proteínas responsáveis por cortar e ligar ou replicar o DNA.

A recombinação genética ilegal tem um caráter local pronunciado. Nesse caso, todo o processo, com sua etapa inicial de reconhecimento, que une duas fitas de DNA, é dirigido por uma enzima especial de recombinação; o emparelhamento de bases não é necessário aqui (mesmo quando ocorre, não mais do que alguns pares de bases estão envolvidos no processo). A integração de transposons, plasmídeos e fagos temperados no genoma bacteriano é um exemplo desse tipo de recombinação genética. Um mecanismo semelhante também existe em células eucarióticas.

Durante a recombinação genética ilegal, pequenas sequências específicas de nucleotídeos de uma ou ambas as hélices de DNA envolvidas nesse processo entram na troca. Assim, essa recombinação genética altera a distribuição das sequências de nucleotídeos no genoma - seções de DNA que não estavam anteriormente localizadas em uma sequência contínua próximas umas das outras são conectadas. Tal troca de regiões de DNA heterólogas leva à ocorrência de inserções, deleções, duplicações e translocações de material genético.

Nos eucariotos, os movimentos de diferentes elementos genéticos associados à recombinação genética ilegal são realizados predominantemente. não na meiose, quando os cromossomos pareados estão em contato. mas durante os ciclos celulares normais (mitose). A recombinação genética ilegal desempenha um papel importante na variabilidade evolutiva, pois graças a ela são realizados os mais diversos rearranjos, muitas vezes cardinais, do genoma e, consequentemente, são criados os pré-requisitos para as qualidades. mudanças na evolução do organismo.

3. Site especificoalguma recombinação genética

Em 1962, A. Campbell, estudando a integração do genoma do fago X no cromossomo de E. coli, descobriu que a incorporação ocorre em água, local estritamente definido do cromossomo bacteriano. Essa observação deu início ao estudo dos mecanismos de recombinação entre moléculas de DNA com nível baixo homologia ou com sua completa ausência. Existem dois tipos de recombinação sítio-específica: dupla ou sítio-específica adequada (ambos os duplexes de DNA recombinados carregam sequências especificamente reconhecidas por enzimas de recombinação) e simples (essas sequências são encontradas apenas em um dos duplexes de DNA), chamadas ilegais. As diferenças entre a recombinação sítio-específica e ilegal não são claras e estão relacionadas ao grau de similaridade das sequências de nucleotídeos envolvidas neste processo.

Um pré-requisito para a recombinação sítio-específica é a presença de uma região de homologia curta (cerca de 10 pb) em duas moléculas de DNA em interação. O processo de fornecer enzimas específicas - recombinases que reconhecem áreas de homologia e catalisam a troca de material genético. Essas enzimas podem ser divididas em dois grupos principais: topoisomerases (Xer, Cre, Int/Xis) e resolvases (Tn-resolvases, invertases).

Como resultado da recombinação site-specific, dois tipos de produtos são formados. Se as regiões recombinantes estiverem orientadas opostamente (AB e BA), então o segmento recombinante será invertido. Se os sítios de recombinação estiverem orientados na mesma direção (AB e AB), o resultado da troca será a deleção do segmento acima e a formação de uma molécula circular a partir do DNA remanescente. Em outras palavras, a recombinação de repetições invertidas gera uma inversão da região de homologia, enquanto a recombinação direta gera sua deleção.

Um exemplo raro, senão o único, mas vital de recombinação sítio-específica em animais multicelulares é um rearranjo nas sequências de DNA que codificam imunoglobulinas, moléculas de proteína que reconhecem um ou outro antígeno durante uma resposta imune em vertebrados.

4. Transposições

transposição de recombinação genética homóloga

Processos de recombinação de outro tipo - transposições estão subjacentes ao movimento de elementos genéticos móveis. Elementos móveis são sequências especiais de DNA capazes, como o próprio nome indica, de passar de uma parte da molécula de DNA (cromossomo ou plasmídeo) para outra, ou para outra molécula na mesma célula, ou mesmo para células de outro organismo. Eles são amplamente distribuídos em procariontes e eucariontes e são altamente diversos. Os elementos móveis, via de regra, não existem de forma autônoma e são caracterizados por estarem na composição de cromossomos ou plasmídeos. Em sua maioria, os elementos móveis de procariontes e eucariontes são construídos de acordo com um plano semelhante e consistem em uma parte central flanqueada por repetições terminais invertidas.

As transposições são realizadas por proteínas especiais, cujo gene (ou genes) está localizado principalmente nos próprios elementos móveis, em sua parte central. A principal proteína de transposição é a transposase. A recombinação entre o elemento móvel e o DNA no qual ele irá se integrar (denomina-se DNA alvo) ocorre no nível de duplexes que não possuem, como no caso da recombinação sítio-específica, dano fixo pré-sináptico. Como a recombinação ocorre exatamente nas extremidades do elemento móvel, as transposições podem ser consideradas como um processo sítio-específico, mas apenas em relação ao próprio elemento, já que a incorporação de elementos no DNA alvo ocorre mais frequentemente em sítios aleatórios. É importante notar que não há homologia perceptível entre o elemento móvel e o DNA alvo.

5 . sinal biológicorecombinação genética

O resultado óbvio da recombinação do material genético na meiose e da reprodução sexual em geral é a produção de descendentes genotipicamente heterogêneos. Supõe-se frequentemente que esta é a função de recombinações genéticas. De acordo com essa visão, reprodução sexuada- adaptação à variabilidade condições externas em gerações sucessivas.

Esta explicação do significado de recombinação foi extensivamente analisada por Maynard Smith. Resultado principal Esta análise conclui que a seleção natural poderia fornecer uma vantagem à reprodução sexuada apenas no caso de mudanças permanentes muito improváveis nas condições ambientais, quando novos genótipos com alta adaptabilidade seriam necessários em cada geração.

A explicação clássica da função das recombinações genéticas, dada por Fischer e, independentemente dele, por Meller, aponta para o significado não da diversidade genotípica em geral, mas da combinação em um genoma de quaisquer duas mutações favoráveis que ocorrem independentemente.

Foi estabelecido que para revelar as vantagens das recombinações genéticas no conceito de Fischer-Meller, reduções periódicas da população, ou seja, as condições de deriva genética, podem ser de grande importância. Neste caso, a recombinação garante a associação de alelos favoráveis origem diferente no contexto de uma probabilidade reduzida (sob condições de deriva) da ocorrência de duas ou mais mutações favoráveis em um genoma.

Obviamente, a combinação de mutações benéficas que surgem em diferentes indivíduos de uma população é impossível na ausência de recombinações. Felsenstein interpreta esta situação como um desequilíbrio de recombinação, ou desequilíbrio de "ligação". Assim, a recombinação genética elimina o desequilíbrio "em termos de ligação" (mais precisamente, em termos de combinação) de mutações favoráveis que ocorrem em diferentes indivíduos de uma população.

Felsenstein também aplicou raciocínio semelhante ao processo de acumulação "infinita" de mutações nocivas em gerações assexuadas, conhecido como "catraca de Meller". As recombinações genéticas param as “viradas” da catraca de Meller, também, por assim dizer, eliminando o desequilíbrio de recombinação, mas desta vez em relação a mutações desfavoráveis: se cada indivíduo em uma população contém pelo menos uma mutação desfavorável como resultado de deriva, então tal “desequilíbrio” é eliminado como resultado do aparecimento de formas recombinantes que não contêm mutações adversas.

No conceito de Fischer-Meller, a vantagem da reprodução sexuada é realizada por meio da chamada seleção de grupo, que se manifesta como sobrevivência na evolução de populações e espécies com reprodução sexuada e, consequentemente, como extinção de espécies que perdem a capacidade de reprodução sexuada.

Mas no quadro da ideia acima de que as recombinações genéticas poderiam promover a associação de mutações favoráveis e prevenir a propagação de mutações nocivas, eliminando o desequilíbrio de “ligação” da população, foram propostos modelos em que a seleção individual também visa aumentar a frequência de recombinações. Nesses modelos, duas mutações benéficas ligadas impedem uma à outra de serem selecionadas de acordo com o efeito Hill-Robertson. No caso de haver um terceiro gene ligado que cause a recombinação de alelos favoráveis, esse gene é herdado com alta probabilidade por recombinantes nos quais alelos favoráveis se combinam.

Tal mecanismo de seleção para um gene que afeta a recombinação é conhecido como "voar" ou "viagem livre". Como Maynard Smith aponta, os modelos de co-veículos, embora expliquem a utilidade de algum nível de recombinação, não explicam por que um alto nível de frequência de recombinação é realmente observado na natureza.

Deve-se notar que a maioria dos estudos de genética populacional ainda está no nível das ideias sobre o processo evolutivo que se desenvolveu na década de 20 do nosso século. De acordo com essas ideias, a evolução (progressiva) é um processo contínuo de acumulação de mutações favoráveis que aumentam a aptidão dos organismos. Em tal concepção de evolução, obviamente não há lugar para recombinações genéticas, o que, de fato, explica as tentativas não muito bem-sucedidas de encontrar “aplicações” para elas.

Enquanto isso, as recombinações desempenham um papel central na evolução progressiva; no curso da evolução progressiva, tipos fundamentalmente diferentes de seleção naturalmente substituem uns aos outros.

O modelo mencionado baseia-se na noção da natureza cíclica das transformações evolutivas. NO seguindo amigo após outro ciclo evolutivo, cada ciclo seguinte é iniciado pelo aparecimento de uma forma híbrida “promissora”, que se caracteriza, no entanto, por uma diminuição da aptidão geral (fertilidade e viabilidade) devido a um desequilíbrio fisiológico causado pela exogamia. Assim, a seleção no primeiro estágio do ciclo evolutivo visa, de fato, aumentar a aptidão e "adquirir" as mutações apropriadas em cada geração.

No entanto, se, como resultado da seleção para um aumento na aptidão geral, um certo nível limite for excedido, surgem condições para competição intraespecífica por fontes de alimento. Nesta fase, a seleção para uma utilização mais eficiente dos recursos alimentares está inevitavelmente associada a um estreitamento gradual do potencial ecológico em subespécies e raças individuais, o que leva à sua divergência. Uma característica da ação de seleção em este estágioé que cada passo para a especialização adicional de subespécies ou raças é iniciado pela sobrevivência de uma certa forma mutante, caracterizada por uma diminuição geral na aptidão.

Finalmente, em estágio final ciclo, no contexto de uma crise geral causada pela falta de recursos alimentares, as raças divergentes interagem e a próxima forma híbrida promissora é formada por recombinação, que combina o potencial ecológico das raças progenitoras.

Conclusão

Consideramos longe de todos os exemplos de sistemas de recombinação que levam a rearranjos no material genético. Existem muitos deles e seu papel é variado. Como no caso da recombinação homóloga, os processos baseados na recombinação não homóloga jogam Grande papel na evolução, mas suas funções são especialmente significativas na ontogenia de organismos procarióticos e eucarióticos. Reproduções de recombinação específicas do site papel fundamental dentro ciclos de vida bacteriófagos temperados.

O papel biológico das transposições e dos elementos genéticos móveis subjacentes a elas é enorme. partes móveis atingiram grande variedade e difundida entre os representantes de todos os grupos sistemáticos do mundo vivo. Em alguns organismos, eles compõem uma parte significativa do material genético: em Drosophila e humanos, segundo vários pesquisadores, eles representam 5-10% do DNA genômico. Por que tanto DNA "extra" é necessário ainda não está claro. Como explicação parcial, pode-se supor que o excesso de DNA é o material para a evolução. O papel totalmente biológico dos elementos móveis não ficará claro em breve.

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trabalho de conclusão de curso, adicionado em 18/10/2013

Identificação de paralelismo no comportamento de genes e cromossomos durante a formação de gametas e fertilização. O conceito de recombinação genética, um estudo do fenômeno em Drosophila, conduzido por T. Morgan. Pontos chave teoria cromossômica hereditariedade.

apresentação, adicionada em 28/12/2011

A história da descoberta das principais propriedades dos sistemas genéticos: replicação, recombinação e reparo. Estudos bioquímicos de expressão e regulação de genes eucarióticos. Introdução de um novo Informação genética em células. Princípios básicos da clonagem.

resumo, adicionado em 27/07/2009

Meiose como um dos principais mecanismos de hereditariedade e variabilidade. significado biológico meiose: manter a constância do cariótipo em várias gerações, garantindo a recombinação de cromossomos e genes. Leis de Gregor Mendel como base da genética clássica.

apresentação, adicionada em 15/04/2014

apresentação, adicionada em 28/12/2011

Mecanismo de evolução dos genomas procarióticos e eucarióticos. Propriedades, seleção e dinâmica do padrão de localização de elementos genéticos móveis. O papel dos elementos genéticos móveis e a transferência horizontal de material genético na evolução do genoma.

trabalho de conclusão de curso, adicionado em 30/09/2009

História, objetivos e fundamentos Engenharia genética; aspectos bioéticos. Grupos doenças genéticas, seu diagnóstico e tratamento. Aplicação da engenharia genética em prática médica Palavras-chave: vacinas gênicas, terapia gênica, produção de medicamentos.

resumo, adicionado em 26/10/2011

Hereditariedade e recombinação genética em bactérias. Composição química, reprodução e características nutricionais célula bacteriana. Enzimas de microorganismos. Mutação, alterações moleculares em um cromossomo. Divisão do estafilococo por septos encravados.

apresentação, adicionada em 23/02/2014

Variabilidade (biológica) - uma variedade de sinais e propriedades em indivíduos e grupos de indivíduos de qualquer grau de parentesco, sua forma. Recombinação e transformação genética. Variabilidade de fagos e microorganismos. Aplicação prática da variabilidade de microrganismos.

resumo, adicionado em 26/12/2013

Problemas de fisiologia de microrganismos. Análise composição química célula bacteriana. Características e mecanismos de nutrição de bactérias autotróficas e heterotróficas, suas enzimas, o processo de respiração e reprodução. Hereditariedade e recombinação genética em bactérias.

Recombinação geral com a introdução coordenada de quebras e reunião das cadeias de duas hélices de DNA com a formação de regiões heteroduplex estendidas. Para que ocorra a recombinação entre as duplas hélices mostradas na figura, cada uma das quatro fitas deve ser quebrada e então unida a uma nova parceira. As fitas correspondentes de ambos os duplexes de DNA homólogos lineares são cortadas e as extremidades livres de uma hélice são pareadas com regiões complementares da outra. O cruzamento é estabilizado ligando as extremidades das fitas doadoras com as extremidades livres das hélices receptoras. O ponto de interseção dos filamentos trocados se move ao longo das espirais, um processo chamado migração de ramificações (e). Nesse caso, há uma divergência simultânea das cadeias das hélices originais e sua reassociação com novos parceiros com a formação de duplexes filhas. As estruturas e e e, e também g são chamadas de estruturas Holliday após o nome do pesquisador, pela primeira vez elas
quem propôs. As estruturas de Holliday podem ser convertidas em duplas hélices recombinantes pela introdução de quebra e reunião de fita de duas maneiras alternativas. Uma maneira é cortar e reconectar os fios cruzados. Dois produtos recíprocos l e m podem ser formados se a quebra e a subsequente reunião das cadeias ocorrer no ponto de interseção nas estruturas e e e ou ao longo da linha de interseção de quatro cadeias na estrutura isomérica de Holliday u. O tamanho dos fragmentos trocados depende da distância pela qual a ramificação migrou antes do evento de recombinação. Produtos alternativos n e o são formados no caso de a estrutura Holliday s passar como resultado de uma quebra em k. Com base na recombinação deste tipo O pareamento homólogo de fitas pertencentes a duas fitas diferentes de DNA reside, portanto, é mais provável que ocorra no local onde tal emparelhamento é possível a priori e onde a homologia das sequências é grande o suficiente para que a migração ocorra
ramos dentro de uma estrutura com cadeias cruzadas. A partir disso, pode-se entender por que a recombinação comum, ou homóloga, também ocorre entre duas repetições dentro da mesma molécula de DNA ou entre elementos alélicos e não alélicos da mesma sequência em dois cromossomos diferentes.
Durante a migração de ramificações, o pareamento de cadeias pertencentes a diferentes hélices resulta na formação de heteroduplexes. Tais heteroduplexes podem conter uma ou mais incompatibilidades dentro do segmento entre o local de início de Holliday e o local de cruzamento. Eles são removidos da mesma forma que qualquer base modificada durante o reparo do DNA. No entanto, uma vez que qualquer uma das bases incompatíveis pode ser removida, ambas as hélices recombinantes podem terminar com os mesmos pares de bases em um determinado local, ou seja, recombinação para este site seria não recíproca. Assim, cada uma das hélices recombinantes pode ser semelhante a qualquer
dos duplexes iniciais nas posições em que inicialmente diferiam.

Recombinação geral com a formação de uma quebra de fita dupla.
Um mecanismo alternativo para a recombinação geral envolve a formação de uma quebra de fita dupla em um dos duplexes parceiros. Além disso, com a ajuda de exonucleases, uma lacuna é formada no local da ruptura. Quando a extremidade de fita simples 3' da lacuna é emparelhada com a fita complementar da hélice intacta, uma alça é formada na última. fio. Como resultado, a outra extremidade de fita simples do intervalo emparelha com a sequência complementar no loop de viagem. Como resultado desse emparelhamento, um sistema de “modelo de primer” é formado e a DNA polimerase sintetiza a fita ausente, preenchendo a lacuna. A ligação das duas extremidades em crescimento às fitas originais resulta na formação de uma estrutura dupla de Holliday (ou seja, uma estrutura na qual duas hélices são unidas por duas
um em cada extremidade da brecha). A migração de um ramal em uma ou ambas as travessias movimenta ambas as ancoragens em qualquer direção, podendo ocorrer erros nas áreas que flanqueiam a brecha. A separação de tais estruturas pode ocorrer de duas maneiras - com e sem crossover, com a formação de quatro duplexes.
Algumas características deste mecanismo devem ser observadas. A formação de pares incompatíveis (heterodúplex) em regiões que flanqueiam a lacuna resulta em recombinações recíprocas e não recíprocas entre marcadores genéticos. Se uma quebra de fita dupla ocorrer perto (ou dentro) do local onde há diferenças entre as hélices (substituições de bases, deleções, inserções, inversões, etc.), os recombinantes herdarão a sequência de nucleotídeos
parceiro que não se separou. Esse mecanismo explica muitos casos de conversão gênica, especialmente aqueles em que uma sequência estendida de um duplex é substituída por uma sequência correspondente, mas diferente de outra.
duplex.
A recombinação geral não recíproca também é usada no reparo de alguns danos no DNA. Por exemplo, se os dímeros de timina não foram removidos do DNA irradiado com UV antes da forquilha de replicação se aproximar deles, então a síntese da fita complementar nesta região não pode ser completada. Como os dímeros de timina opostos ao intervalo não podem ser
dividida, a única maneira de salvar a cromátide é usar a informação genética da cromátide irmã homóloga e preencher a lacuna. Para isso, o mesmo mecanismo é usado para o reparo de lacunas.
dentro.

Enzimas envolvidas na recombinação geral.

A recombinação geral envolve duas enzimas específicas e várias outras enzimas que também catalisam os processos de replicação e reparo do DNA. A enzimologia da recombinação geral foi estudada apenas para alguns organismos procarióticos, em particular E. coli e seus fagos. Uma das enzimas específicas necessárias para a recombinação homóloga bem-sucedida é chamada de proteína recA.
Catalisa a troca de cadeia simples usando a energia da hidrólise do ATP em ADP e fosfato inorgânico. A inserção dependente de RecA de DNA de fita simples em um duplex é o primeiro passo no processo de recombinação tanto no esquema de Holliday quanto no mecanismo com a formação de quebras de fita dupla. A segunda enzima, consistindo em três subunidades separadas (B, C e D) e, portanto, chamada de nuclease recBCD, tem atividades endo e exonuclease, bem como helicase. Seu mecanismo de ação não é totalmente compreendido, mas sabe-se que
A nuclease recBCD induz quebras no DNA duplex e, devido à sua atividade helicase inerente, juntamente com recA, inicia a recombinação.
Uma enzima que corta nós nas estruturas de Holliday também foi identificada; com sua participação, as extremidades pegajosas são formadas, conectadas por uma ligase. A recombinação geral também envolve helicases e proteínas que se ligam ao DNA de fita simples.
(SSB; do inglês ligação de fita simples); ambos são necessários para dar suporte ao processo de migração da filial.

Como se sabe, o movimento das cadeias durante a migração dos ramos é facilitado pela Pol I, e a DNA ligase está envolvida na reunificação das cadeias quebradas. A topoisomerase tipo I e, possivelmente, a girase são aparentemente necessárias para remover as restrições topológicas durante o desenrolamento da hélice e para desvendar estruturas torcidas.

Recombinação homóloga no reparo do DNA

Células bacterianas de divisão rápida contendo vários replicons formados por cromossomos sub-replicados são mais resistentes à ação da radiação ionizante, que induz quebras na dupla fita do DNA, do que células com um pequeno número de replicons que estão na fase estacionária.
As células de levedura haplóides na fase G 1 antes do início da síntese de DNA são extremamente sensíveis à ação da radiação ionizante, enquanto as mesmas células na fase G 2 antes da mitose também são resistentes à radiação ionizante como células diplóides.
Esses fatos indicam que para corrigir efetivamente
dano causado radiação ionizante, a presença simultânea de duas moléculas de DNA homólogas na célula é necessária.

Figura 1 Um dos modelos que explicam o reparo de quebras de fita dupla.
O processo de recuperação é dividido condicionalmente em três etapas:
1. fase pré-sináptica- uma quebra de fita dupla é introduzida no DNA ou, se presente, a clivagem por nuclease das extremidades da quebra ocorre imediatamente. A proteína RecBCD, que tem atividades de helicase e exonuclease, está envolvida na criação de fitas simples 3'-OH-overhangs de DNA no local de quebra. RecBCD desenrola a molécula de DNA de fita dupla na quebra e hidrolisa uma das fitas na direção 5'>3', deixando uma região de fita simples saliente.
2. fase sináptica- há uma sinapse de regiões homólogas de duas moléculas de DNA com a entrada de uma molécula complementar
região de fita simples no duplex de DNA e a síntese de DNA reparadora subsequente. A busca por regiões homólogas e a troca de cadeias necessárias à recombinação ocorrem com a participação da proteína RecA.
3. Fase pós-sináptica- formado Estruturas de férias são separados por proteínas RuvA, -B e -C, RecG, bem como proteínas do sistema de reparo SOS (RecN, UvrD, RecF e RecJ). Mecanismos semelhantes são usados por células para reparo recombinacional de lacunas de fita simples remanescentes em moléculas de DNA devido ao bloqueio da síntese de DNA replicativo por nucleotídeos modificados.

Muitos produtos de genes de E. coli e leveduras envolvidos no reparo recombinacional de danos no DNA têm homólogos em animais e humanos. Recurso distintivo A recombinação e reparo eucarióticos é a entrada das proteínas correspondentes em numerosos complexos de proteínas, em particular transcriptossomos e replissomas, que
indica seu importante papel na biossíntese da matriz ácidos nucleicos células eucarióticas.

RECOMBINAÇÃO

RECOMBINAÇÃO(de re ... e tarde lat. combinatio - conexão) (genética), redistribuição de genética. material dos pais na prole, levando a combinações hereditárias variabilidade organismos vivos. No caso de desvinculado genes(deitado em diferentes cromossomos; cm. Ligação de genes) essa redistribuição pode ser realizada com a combinação livre de cromossomos em meiose, e no caso de genes ligados - geralmente cruzando cromossomos - atravessando. R. - biológico universal. um mecanismo inerente a todos os sistemas vivos - de vírus a plantas superiores, animais e humanos. Ao mesmo tempo, dependendo do nível de organização de um sistema vivo, o processo R. possui vários recursos. A maneira mais fácil de R. ocorre em vírus: quando uma célula é infectada em conjunto com vírus relacionados que diferem em uma ou mais características, após lise células são encontradas não apenas originais partículas virais, mas também partículas recombinantes com novas combinações de genes que surgem com uma certa frequência média. As bactérias têm vários processos que terminam com R.: conjugação, ou seja, a união de duas células bacterianas com uma ponte protoplasmática e a transferência do cromossomo da célula doadora para a receptora, após o que ocorre a substituição. seções do cromossomo do receptor para os fragmentos correspondentes do doador; transformação - transmissão de características por moléculas de DNA que penetram do ambiente através da membrana celular; transdução - transferência de genética substâncias de uma bactéria doadora para uma bactéria receptora, realizada por um bacteriófago. Em organismos superiores, R. ocorre na meiose durante a formação gametas: cromossomos homólogos se aproximam e são instalados lado a lado com grande precisão (as chamadas sinapses), então os cromossomos se quebram em pontos estritamente homólogos e os fragmentos são reunidos transversalmente (crossing over). O resultado de R. é descoberto em novas combinações de signos na posteridade. A probabilidade de cruzamento entre dois pontos cromossômicos é aproximadamente proporcional ao físico. distância entre esses pontos. Isso torna possível, com base em dados experimentais sobre R., construir mapas genéticos de cromossomos, ou seja, organizar graficamente os genes em uma ordem linear de acordo com sua localização nos cromossomos e, além disso, em uma certa escala. Mecanismo molecular R. não foi estudado em detalhes, mas foi estabelecido que os sistemas enzimáticos que fornecem R. processo crítico, como uma correção de dano que ocorre na genética. materiais (ela. Reparar genético). Após a sinapse, a endonuclease, uma enzima que realiza quebras primárias nas cadeias de DNA, entra em ação. Aparentemente, essas lacunas em muitos organismos ocorrem em sítios recombinadores estruturalmente determinados. Em seguida, ocorre a troca de fitas duplas ou simples de DNA e, por fim, especiais. sintético enzimas - DNA polimerases - preenchem as lacunas nas cadeias, e a enzima ligase fecha as últimas ligações covalentes. Estas enzimas alocam-se e estudam-se só em bactérias nek-ry que permitiram aproximar a criação do modelo P. em vitro (em um tubo de experiência). Uma das consequências mais importantes de R. é a formação de descendentes recíprocos (ou seja, na presença de duas formas alélicas dos genes AB e av, devem ser obtidos dois produtos de R. - Av e aB em quantidades iguais). O princípio da reciprocidade é observado quando R. ocorre entre pontos suficientemente distantes no cromossomo. Em R. intragênico esta regra muitas vezes quebra-se. O último fenômeno estudado por Ch. arr. em fungos inferiores, chamados. conversão gênica. O significado evolutivo de R. reside no fato de que muitas vezes não são favoráveis ao organismo. mutações e suas combinações. No entanto, ao mesmo tempo a ocorrência de uma combinação favorável de duas mutações em uma célula é improvável. Como resultado de R., uma combinação de mutações pertencentes a dois organismos independentes é realizada e, assim, o processo evolutivo é acelerado.

A recombinação genética inclui vários processos interligados, como resultado dos quais são criadas novas combinações de elementos portadores de informação genética nas células ou organismos onde ocorrem. A recombinação entre cromossomos homólogos muito próximos leva a um intenso embaralhamento de genes paternos e maternos durante a meiose e, assim, cria pré-condições para o teste evolutivo de novas combinações desses genes na prole. Via de regra, os eventos de recombinação que ocorrem em células somáticas durante a replicação do DNA ou depois dela e se manifestam como uma troca de cromátides irmãs não levam a uma mudança no genótipo ou fenótipo da célula. No entanto, eles geralmente geram vários rearranjos genômicos. Isso, por exemplo, é a perda, aquisição ou amplificação de elementos genéticos e o estabelecimento de novas relações entre elementos já existentes, mas recém-localizados.

Se usarmos termos moleculares, podemos dizer que a recombinação genética consiste na formação ligações covalentes entre sequências de nucleotídeos de diferentes regiões da mesma ou de diferentes moléculas de DNA.

Todas as células e muitos vírus contêm informações sobre a síntese de enzimas projetadas não apenas para reparar danos em seu próprio DNA, mas também enzimas que realizam a recombinação. De fato, algumas das enzimas envolvidas na replicação e reparo do DNA também desempenham um papel fundamental na recombinação. Nesta seção, consideramos os mecanismos de alguns processos de recombinação e as enzimas que os catalisam. Atenção especial serão atraídos para recombinação em bactérias e fagos, uma vez que esses processos são bastante estudados neles. Embora os aspectos genéticos e morfológicos da recombinação em células eucarióticas sejam conhecidos, muito permanece obscuro em nível molecular.

Tipos de recombinação

Existem três tipos de recombinação: geral ou homóloga, específica do local e aleatória ou não homóloga.

Recombinação geral. A recombinação geral ocorre, via de regra, entre regiões extensas de sequências nucleotídicas idênticas ou homólogas. É muitas vezes chamado de recombinação homóloga ou crossing over. Durante a recombinação geral, dois segmentos de DNA homólogos são quebrados e cada uma das extremidades de um segmento é conectada às extremidades correspondentes do outro de tal forma que ambas as moléculas resultantes contêm diferentes fragmentos de ambos os DNAs envolvidos na recombinação. De fato, os locais em que ocorre a ruptura e a reunião de cada uma das duas cadeias muitas vezes não coincidem.

Geralmente, a recombinação geral ocorre entre regiões homólogas e alélicas de diferentes moléculas de DNA, mas também pode ocorrer entre regiões homólogas mas não alélicas de moléculas recombinadas. Neste caso, um dos produtos de recombinação perde parte do DNA, enquanto o outro adquire um segmento “extra”. Esse processo é chamado de cruzamento desigual. Às vezes, a recombinação ocorre entre regiões não alélicas do mesmo cromossomo, com uma perda correspondente da região situada entre os sítios de recombinação. Ao contrário dos casos já considerados, alguns eventos de recombinação não são recíprocos; como consequência, um dos produtos resultantes é idêntico a uma das moléculas originais, enquanto o outro difere de ambos os parceiros. Este processo é muitas vezes referido como conversão de genes.

Recombinação específica do local. A recombinação é chamada de sítio específico se os sítios de quebra e reunião em duas moléculas de recombinação ou dois fragmentos da mesma molécula de DNA estiverem dentro de sequências nucleotídicas homólogas específicas bastante curtas - geralmente não mais que 25 nucleotídeos. Apenas um dos parceiros ou ambos podem ter sequências tão curtas. Como exemplo da primeira variante, podem ser citadas as transposições de alguns elementos móveis em eu e procariontes, e a segunda é o processo de integração-extração do DNA do fago X do cromossomo de E. coli. Com a ajuda da recombinação sítio-específica, rearranjos programados do DNA cromossômico ocorrem quando os tipos de acasalamento mudam na levedura; é também responsável pela diversidade de anticorpos. Aparentemente, a recombinação geral entre quaisquer pares de sequências homólogas é realizada com a ajuda do mesmo complexo de enzimas; por outro lado, cada caso de recombinação sítio-específica requer seu próprio conjunto de enzimas. recombinação não homóloga. A recombinação entre sequências de nucleotídeos não homólogas ocorre muito raramente em células de procariontes e leveduras, e muito frequentemente em células de mamíferos. A recombinação não homóloga pode ser atribuída ao processo de inserção aleatória de DNA viral ou plasmidial no DNA de células animais, resultando em muitas deleções e duplicações nos genomas replicantes dos papovavírus. As extremidades do DNA quebrado podem se unir mesmo que não sejam homólogas. Em alguns casos, a recombinação ocorre entre sequências contendo vários pares de bases homólogas, ou entre regiões curtas parcialmente homólogas. Mas, via de regra, os segmentos recombinados não possuem sequências homólogas.

Recombinação geral entre moléculas de DNA homólogas

As estruturas de Holliday podem ser convertidas em duplas hélices recombinantes pela introdução de quebra e reunião de fita de duas maneiras alternativas. Uma maneira é cortar e reconectar os fios cruzados. Dois produtos recíprocos l e m podem ser formados se a quebra e a subsequente reunião das cadeias ocorrer no ponto de interseção nas estruturas e e e ou ao longo da linha de interseção de quatro cadeias na estrutura isomérica de Holliday u. O tamanho dos fragmentos trocados depende da distância pela qual a ramificação migrou antes do evento de recombinação. Os produtos alternativos u e o são formados se a estrutura de Holliday s passar como resultado de uma quebra em k.

Este tipo de recombinação é baseado no emparelhamento homólogo de fitas pertencentes a duas fitas diferentes de DNA, de modo que é provável que ocorra em um local onde tal emparelhamento seja possível a priori e onde a homologia de sequência seja alta o suficiente para permitir a migração de ramificações dentro do cruzamento. estrutura da fita. A partir disso, pode-se entender por que a recombinação comum, ou homóloga, também ocorre entre duas repetições dentro da mesma molécula de DNA ou entre elementos alélicos e não alélicos da mesma sequência em dois cromossomos diferentes.

No curso da migração, ramificações durante o emparelhamento de cadeias pertencentes a diferentes hélices formam heterodúplex. Tais heteroduplexes podem conter uma ou mais incompatibilidades dentro do segmento entre o local de início de Holliday e o local de cruzamento. Eles são removidos da mesma forma que qualquer base modificada durante o reparo do DNA. No entanto, uma vez que qualquer uma das bases incompatíveis pode ser removida, ambas as hélices recombinantes podem terminar com os mesmos pares de bases em um determinado local, ou seja, recombinação para este site seria não recíproca. Assim, cada uma das hélices recombinantes pode ser semelhante a qualquer um dos duplexes iniciais nas posições em que diferiam originalmente.

Recombinação geral com a formação de uma quebra de fita dupla. Um mecanismo alternativo para a recombinação geral envolve a formação de uma quebra de fita dupla em um dos duplexes parceiros. Além disso, com a ajuda de exonucleases, uma lacuna é formada no local da ruptura. Quando a extremidade de fita simples 3' da lacuna é pareada com a fita complementar da hélice intacta, uma alça é formada na última. O tamanho dessa alça aumenta à medida que a DNA polimerase se acumula na extremidade 3' da fita em cunha. Como resultado, a outra extremidade de fita simples do intervalo emparelha com a sequência complementar no loop de viagem. Como resultado desse emparelhamento, um sistema "primer-modelo" é formado e a DNA polimerase sintetiza a fita ausente, preenchendo a lacuna. A ligação das duas extremidades em crescimento às fitas originais resulta na formação de uma estrutura dupla de Holliday. A migração de um ramal em uma ou ambas as travessias movimenta ambas as ancoragens em qualquer direção, podendo ocorrer erros nas áreas que flanqueiam a brecha. A separação de tais estruturas pode ocorrer de duas maneiras - com e sem crossover, com a formação de quatro duplexes.

Algumas características deste mecanismo devem ser observadas. A formação de incompatibilidades nas regiões que flanqueiam a lacuna resulta em recombinações recíprocas e não recíprocas entre marcadores genéticos. Se ocorrer uma quebra de fita dupla perto de um local onde existam diferenças entre as hélices, os recombinantes herdarão a sequência de nucleotídeos do parceiro no qual a quebra não ocorreu. Esse mecanismo explica muitos casos de conversão gênica, especialmente aqueles em que uma sequência estendida de um duplex é substituída por uma sequência correspondente, mas diferente, de outro duplex.

A recombinação geral não recíproca também é usada no reparo de alguns danos no DNA. Por exemplo, se os dímeros de timina não foram removidos do DNA irradiado com UV antes da forquilha de replicação se aproximar deles, então a síntese da fita complementar nesta região não pode ser completada. Como os dímeros de timina opostos à lacuna não podem ser clivados, a única maneira de salvar a cromátide é usar a informação genética da cromátide irmã homóloga e preencher a lacuna. Para isso, o mesmo mecanismo é usado para o reparo de lacunas.

Enzimas envolvidas na recombinação geral

A recombinação geral envolve duas enzimas específicas e várias outras enzimas que também catalisam os processos de replicação e reparo do DNA. A enzimologia da recombinação geral foi estudada apenas para alguns organismos procarióticos, em particular E. coli e seus fagos. Uma das enzimas específicas necessárias para a recombinação homóloga bem-sucedida é chamada de proteína recA. Catalisa a troca de cadeia simples usando a energia da hidrólise do ATP em ADP e fosfato inorgânico. A inserção dependente de RecA de DNA de fita simples em um duplex é o primeiro passo no processo de recombinação tanto no esquema de Holliday quanto no mecanismo com a formação de quebras de fita dupla. A segunda enzima, que consiste em três subunidades separadas e, portanto, é chamada de nuclease recBCD, tem atividades endo e exonuclease, bem como helicase. O mecanismo de sua ação não foi totalmente estabelecido, mas sabe-se que a recBCD nuclease induz quebras no DNA duplex e, devido à sua atividade helicase inerente, juntamente com recA inicia o processo de recombinação. Uma enzima que corta nós nas estruturas de Holliday também foi identificada; com sua participação, as extremidades pegajosas são formadas, conectadas por uma ligase.

A recombinação geral também envolve helicases e proteínas que se ligam ao DNA de fita simples; ambos são necessários para dar suporte ao processo de migração da filial. Como se sabe, o movimento das cadeias durante a migração dos ramos é facilitado pela Pol I, e a DNA ligase está envolvida na reunificação das cadeias quebradas. A topoisomerase tipo I e, possivelmente, a girase são aparentemente necessárias para remover as restrições topológicas durante o desenrolamento da hélice e para desvendar estruturas torcidas.

Recombinação específica do site

A recombinação sítio-específica ocorre entre segmentos específicos de dúplex de DNA que não possuem regiões homólogas estendidas. Um exemplo característico de tal recombinação é a integração do cDNA do fago X com o cromossomo de E. coli e sua clivagem reversa. Embora esses eventos de recombinação também envolvam a quebra e a reunião de dois segmentos de DNA helicoidais, seu mecanismo é completamente diferente daquele da recombinação geral. Neste caso, a recombinação ocorre dentro da sequência de nucleotídeos de DNA específica do fago X e a sequência de DNA única de E. coli. As sequências de nucleotídeos dos sítios attP e attB são completamente diferentes, embora tenham um núcleo comum de 15 pares de bases. AttP se estende por 150 nt à esquerda e 75 nt à direita do núcleo comum, enquanto attB tem apenas cerca de 25 nt de comprimento, incluindo o núcleo. Eventos de recombinação que ocorrem durante a integração e exclusão do DNA do fago X do cromossomo de E. coli.

Uma vez que as sequências de nucleotídeos que flanqueiam attP — e a?? Os sítios B à esquerda e à direita são diferentes para esses sítios; o mecanismo de clivagem recombinacional do DNA do fago X do DNA de E. coli deve diferir do mecanismo de sua integração recombinatória. De fato, a recombinação entre attL e attR por exclusão do DNA do fago requer, além da proteína Int, a proteína do fago xis e a proteína celular HF. O processo de clivagem recombinacional parece ter alguma semelhança com o processo de integração, mas o papel dessas três proteínas, especialmente a proteína xis, ainda está sendo estudado.

A recombinação genética inclui vários processos interligados, pelo que se criam novas combinações de elementos - portadores de informação genética - nas células ou organismos onde ocorrem. Falamos mais frequentemente de recombinação quando descrevemos o processo de crossing over, durante o qual a recombinação entre cromossomos homólogos resulta em um intenso embaralhamento de genes paternos e maternos durante a meiose.

A recombinação também pode ocorrer em células somáticas, onde geralmente se manifesta na forma de trocas de cromátides irmãs, que não levam a uma mudança no genótipo ou fenótipo da célula. Isso ocorre porque a recombinação ocorre entre pares de bases mutuamente correspondentes, de modo que nenhum nucleotídeo é adicionado ou removido dos cromossomos recombinantes. Além disso, a recombinação está frequentemente envolvida em processos de reparo.

Existem três tipos de recombinação: 1) geral ou homóloga, 2) específica do local, 3) aleatória ou não homóloga.

A recombinação envolvendo trocas entre sequências de DNA homólogas é chamada de recombinação geral ou homóloga, e será o assunto principal de nosso interesse, pois é a recombinação de DNA homóloga que está envolvida em vários processos reparativos.

Recombinação (biologia)

Uma descrição detalhada dela será dada a seguir, mas por enquanto vamos nos deter brevemente em dois outros tipos de recombinação que ocorrem sob o controle de enzimas que reconhecem sequências nucleotídicas específicas presentes em uma ou duas moléculas recombinadas. Com esse tipo de recombinação, vírus bacterianos e elementos transponíveis se movem pelo genoma.

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RECOMBINAÇÃO

Em organismos eucarióticos que se reproduzem sexualmente, a recombinação ocorre durante a meiose com divergência independente de cromossomos e com a troca de regiões homólogas entre cromossomos homólogos (crossing over). Possível e assim chamado. recombinação ilegal, quando rearranjos estruturais afetam cromossomos não homólogos. As recombinações também ocorrem no sexo e, com muito menos frequência, nas células somáticas. Procariotos (bactérias) e vírus têm mecanismos especiais para troca de genes. Assim, as recombinações são uma forma universal de aumentar a variabilidade genotípica em todos os organismos, criando material para a seleção natural. Veja também variabilidade, leis de Mendel.

Na recombinação homóloga, no processo de quebra e reunificação do DNA, ocorre uma troca entre regiões do DNA com alto grau de homologia. A recombinação homóloga ocorre através da formação de um intermediário no qual ocorre o pareamento complementar entre regiões de fita simples pertencentes a diferentes moléculas de DNA parental. O processo de recombinação homóloga está sob o controle de genes combinados em Sistema REC feito de genes recA,B,C,D. Os produtos desses genes desenrolam e reorientam as fitas de DNA para formar a estrutura Holiday e cortam a estrutura Holiday para completar o processo de recombinação.

Site especifico recombinação

Ocorre em regiões específicas do genoma e não requer alto grau Homologia do DNA. Este tipo de recombinação não depende do funcionamento dos genes. gravando A,B,C,D. Um exemplo desse tipo de recombinação é a integração de um plasmídeo no cromossomo bacteriano, que ocorre entre elementos IS idênticos do cromossomo e o plasmídeo, a integração do DNA do fago no cromossomo E. coli. A recombinação específica do local que ocorre dentro de um único replicon também está envolvida na mudança da atividade do gene. Por exemplo, em Salmonella, este processo resulta em variações de fase do antígeno H flagelar.

ilegal ou replicativo recombinação

A recombinação ilícita ou replicativa não depende do funcionamento dos genes gravando A,B,C,D. Um exemplo disso é a transposição de elementos genéticos móveis ao longo de um replicon ou entre replicons, enquanto, como já observado, a transposição de um elemento genético móvel é acompanhada pela replicação do DNA.

Transferência de informação genética em bactérias

Recombinação em bactérias é o estágio final transferência de material genético entre bactérias, que é realizado três mecanismos : conjugação(após contato de bactérias, uma das quais carrega um plasmídeo conjugativo), transdução(usando bacteriófago) transformação(usando DNA altamente polimerizado).

Conjugação

A transferência de material genético de uma célula doadora para uma célula receptora por contato celular direto é chamada de conjugação .

A transferência de material genético de uma célula doadora para uma célula receptora foi descoberta por J. Lederberg e E. Tatum em 1946.

Uma condição necessária para a conjugação é a presença na célula doadora plasmídeo transmissivo .

Os plasmídeos transmissíveis codificam os pili sexuais, que formam um tubo de conjugação entre a célula doadora e a célula receptora, através do qual o DNA do plasmídeo é transferido para uma nova célula.

Fator de fertilidade (F), ou o fator sexual foi descoberto em coli em 1968. Descobriu-se que após a mistura de duas cepas diferentes de bactérias F+ e F- ocorre a recombinação das características bacterianas. F+ é "macho" ou material genético doador, e F- é "fêmea" ou receptora. Sabe-se agora que quando as células F+ e F- entram em contato, dois processos completamente diferentes : em alguns casos, transferir apenas o fator de fertilidade, o fator F, em outros, transferir parte do material genético da célula doadora para a célula receptora.

Primeiro processo quando eu mesmo F-fator é capaz de passar da bactéria F+ para a bactéria F-, transformando-a em uma célula F+(a célula se torna doadora), mas não ocorre transferência de genes localizados no cromossomo.

Segundo processo, é quando parte (raramente todo) do cromossomo pode passar da célula doadora para a receptora.

Para implementação segundo processo, porém, é necessário que F-fator é primeiro incorporado no cromossomo bacteriano do hospedeiro. As bactérias neste estado são designadas hfr(alta frequência de recombinação). construído no cromossomo F-fator é capaz de causar a transferência de um cromossomo bacteriano para uma célula F-, onde a recombinação de genes bacterianos pode então ocorrer. Normalmente, o processo é interrompido antes que todo o cromossomo da célula doadora tenha tempo de cruzar. Além disso, essa parte F O fator responsável pela transferência está localizado na extremidade distal do cromossomo transferido e geralmente permanece na célula doadora. Por causa de F -fator pode ser integrado ao cromossomo da célula, é chamado epissoma . No entanto, nem todos os plasmídeos têm as propriedades dos epissomas, porque nem todos são capazes de se integrar em cromossomos bacterianos.

A transferência de material genético é determinada tra-operon F-plasmídeos (do inglês. transferir - transferência). O mecanismo de transferência de DNA plasmidial de célula para célula é que uma proteína especial codificada tra-operon , "reconhece" uma certa sequência no DNA do plasmídeo, chamada origem - o início da transferência, eng. ( O gene ), introduz uma quebra de fita simples nesta sequência e se liga covalentemente à extremidade 5'. A fita de DNA à qual a proteína está ligada é então transferida para a célula receptora, enquanto a fita complementar ininterrupta permanece na célula doadora. Assim, ao conjugações transmitido apenas uma fita de DNA -doador. O aparelho celular de síntese de DNA completa as fitas simples tanto no doador quanto no receptor para uma estrutura de fita dupla.

A proteína ligada à extremidade 5' da fita transferida contribui para o fechamento do plasmídeo na célula receptora em um anel. Este processo é mostrado na figura do exemplo da transferência de um plasmídeo para uma célula receptora. F (fertilidade - fertilidade, inglês), que é como transmissivo , e integrador plasmídeo. Células doadoras que F-fator são denotados como P+-células e células receptoras que não possuem um fator F são designadas como F--células. Se o fator F estiver em um estado autônomo na célula doadora, como resultado do cruzamento: F + × F- a célula receptora adquire propriedades doadoras (veja a Fig. 5.4, 1A).

Se um F-fator ou outro plasmídeo transmissível é inserido no cromossomo da célula doadora, então o plasmídeo e o cromossomo começam a funcionar como um único réplica transmissível , o que possibilita a transferência de genes bacterianos para uma célula receptora livre de plasmídeo, ou seja, o processo de conjugação. Cepas nas quais o plasmídeo está em um estado integrado transferem seus genes cromossômicos células livres de plasmídeo em alta frequência e, portanto, são chamadas de hfr(do inglês. alta frequência de recombinação – alta frequência de recombinação).

O processo de transferência de genes cromossômicos no caso de cruzamento: Hfr×F- sempre começa com a clivagem do DNA no mesmo ponto, o local de integração F- factor ou outro plasmídeo transmissivo. Uma fita de DNA do doador é transferida através da ponte de conjugação para a célula receptora. O processo é acompanhado pela adição de uma fita complementar à formação de uma estrutura de fita dupla. A transferência de genes cromossômicos durante a conjugação sempre tem a mesma direção, oposta ao plasmídeo embutido. Ela própria plasmídeo transmissível é transmitido por último .

A fita de DNA doadora transferida para a célula receptora e completada em uma estrutura de fita dupla se recombina com a região homóloga do DNA receptor para formar uma estrutura genética estável.

A ponte de conjugação é frágil, quebra facilmente sem perturbar a viabilidade das células conjugadas. Assim, a integridade do cromossomo transferido pode ser violada durante o processo de transferência. Tudo isso explica a transmissão extremamente rara do fator F a partir de Bactérias Hfr para F-células, uma vez que isso requer que o receptor adquira a porção inicial e final do cromossomo do doador.

Usualmente cepas Hfr transmitir com alta frequência não todo o cromossomo, mas apenas aqueles próximos O genes de ponto. Ao habilitar F- fator em diferentes partes do cromossomo recebeu uma variedade de hfr- cepas que diferem na localização O-pontos e direção da transferência cromossômica.

Assim, devido à fragilidade da ponte de conjugação fator sexual F raramente transferido para a célula receptora, portanto o recombinante resultante com funções doadoras, usualmente, não possui.

Devido à direção da transferência de genes conjugação usado para mapeamento do genoma bacteriano e mapeamento genético.

transdução

A transferência de material genético de uma bactéria para outra por meio de fagos é chamada de transdução . O fago transdutor é uma espécie de "bonde", porque dentro de seu invólucro de proteína, ele carrega um "escondido" - um pedaço de DNA de um fago hospedeiro anterior e introduz esse DNA da mesma maneira que seu próprio DNA em uma célula bacteriana sensível a fagos.

A principal característica processos de transdução é a capacidade de algumas partículas de fagos em maturação (a maturação ocorre espontaneamente ou como resultado da indução) capturar uma região limitada do genoma da bactéria hospedeira e transferi-la para uma célula relacionada sensível a este fago. A capacidade de transferir material genético de bactérias doadoras para bactérias receptoras moderado fagos e seus mutantes.

transdução chamada de transferência de DNA bacteriano através bacteriófago .

Este processo foi descoberto em 1951 por N. Zinder e J. Lederberg.

O significado da palavra RECOMBINAÇÃO na Enciclopédia de Biologia

Durante a replicação do fago dentro das bactérias, um fragmento de DNA bacteriano entra na partícula do fago e é transferido para a bactéria receptora durante a infecção do fago. Existir três tipos transdução:

em geral transdução (ou não específico) - a transferência de um fragmento de qualquer parte do cromossomo bacteriano por um bacteriófago - ocorre devido ao fato de que o DNA bacteriano é fragmentado após uma infecção por fago e um pedaço de DNA bacteriano do mesmo tamanho que o DNA do fago penetra no vírus um, formando partícula de fago defeituosa com uma frequência de aproximadamente 1 por 1000 partículas de fago . Quando uma célula receptora é infectada com uma partícula de fago defeituosa, o DNA da célula doadora é “injetado” nela e se recombina por recombinação homóloga com a região homóloga do cromossomo receptor para formar um recombinante estável. Este tipo de transdução é R -fagos;

específico transdução - observada quando o DNA do fago se integra ao cromossomo bacteriano para formar um profago. Em processo de eliminação

DNA do fago do cromossomo bacteriano como resultado processo aleatório um fragmento do cromossomo bacteriano adjacente ao local de inclusão do DNA do fago é capturado, tornando-se um fago defeituoso . Como a maioria dos bacteriófagos de clima temperado se integra ao cromossomo bacteriano em regiões específicas, tais bacteriófagos são caracterizados pela transferência para a célula receptora. uma certa área DNA bacteriano da célula doadora. O DNA do fago defeituoso se recombina com o DNA da célula receptora por recombinação específica do local. Em particular, o bacteriófago transmite por transdução específica garota -gene y E. coli.

abortivo transdução - o fragmento de DNA da bactéria doadora introduzido pelo fago não está incluído no cromossomo da bactéria receptora, mas está localizado em seu citoplasma e pode funcionar nesta forma. Durante a divisão celular bacteriana, o fragmento de DNA doador transduzido pode ser transferido para apenas uma das duas células filhas, ou seja, herdado de forma unilinear e eventualmente perdido na descendência.

A transdução foi encontrada em E. coli, B. subtilis, salmonela, vibrio cholerae, etc. várias propriedades bactérias: resistência a antibióticos, síntese de fatores de crescimento, fermentação de carboidratos, síntese de penicilinase, etc.

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