Gēnu rekombinācija ir ģenētiskā materiāla apmaiņa starp dažādiem organismiem. Tā rezultātā tiek iegūti pēcnācēji ar pazīmju kombinācijām, kas atšķiras no abiem vecākiem. Lielākā daļa šo ģenētisko apmaiņu notiek dabiski.
Kā tas notiek
Gēnu rekombinācija sākas gēnu atdalīšanās rezultātā gametu veidošanās laikā mejozes, apaugļošanās un krustošanās laikā. Krustošana ļauj DNS molekulu alēlēm mainīt pozīciju no viena homologa hromosomas segmenta uz citu. Rekombinācija ir atbildīga par sugas vai populācijas ģenētisko daudzveidību.
Hromosomu struktūra
Hromosomas atrodas šūnu kodolā. Tie veidojas no hromatīna, ģenētiska materiāla masas, kas izgatavota no DNS, kas ir cieši ietīta ap proteīniem, ko sauc par histoniem. Hromosoma parasti ir vienpavediena un sastāv no centromēra apgabala, kas savieno garo un īso reģionu.
Hromosomu dublēšanās
Kad šūna ieiet dzīves ciklā, tās hromosomastiek dublēti DNS replikācijas ceļā, gatavojoties dalīšanai. Katra dublētā hromosoma sastāv no divām identiskām, ko sauc par māsas hromatīdiem. Tie ir saistīti ar centromēra reģionu. Kad šūnas dalās, veidojas pārī savienotas kopas. Tie sastāv no vienas hromosomas (homologas) no katra vecāka.
Hromosomu apmaiņa
Gēnu rekombināciju šķērsošanas laikā pirmo reizi aprakstīja Tomass Hants Morgans. Eikariotos to veicina hromosomu šķērsošana. Krustošanas procesa rezultātā pēcnācējiem ir dažādas gēnu kombinācijas un tie var radīt jaunas himēriskas alēles. Tas ļauj seksuāli vairojošiem organismiem izvairīties no Moellera sprūdrata, kurā aseksuālas populācijas genomi neatgriezeniskā veidā uzkrāj ģenētiskas dzēšanas.
I fāzes laikā četras hromatīdas ir cieši saistītas. Šajā veidojumā homologās vietas divās molekulās var cieši savienoties viena ar otru un apmainīties ar ģenētisko informāciju. Gēnu rekombinācija var notikt jebkurā vietā hromosomā. Tās biežums starp diviem punktiem ir atkarīgs no attāluma, kas tos atdala.
Nozīme
Gēnu kustības izsekošana krustošanas rezultātā ir izrādījusies ļoti noderīga ģenētiķiem. Tas ļauj noteikt, cik tālu viens no otra atrodas divi gēni hromosomā. Zinātne var arī izmantot šo metodi, lai secinātu par noteiktu gēnu klātbūtni. Viena molekula savienotā pārī kalpo kā marķieris, lai noteiktu otras molekulas klātbūtni. To izmanto, lai noteiktu patogēnu klātbūtnigēni.
Rekombinācijas biežums starp diviem novērotajiem lokusiem ir krustojuma vērtība. Tas ir atkarīgs no novēroto ģenētisko perēkļu savstarpējā attāluma. Jebkuram fiksētam vides apstākļu kopumam rekombinācija noteiktā saites struktūras reģionā (hromosomā) mēdz būt nemainīga. Tas pats attiecas uz krustojuma vērtību, kas tiek izmantota, ģenerējot ģenētiskās kartes.
Meioze
Hromosomu krustojums ietver pārī savienotu hromosomu apmaiņu, kas mantotas no katra vecāka. Mejozei kā gēnu rekombinācijas pamatam šajā procesā ir liela nozīme. Šī procesa molekulārie modeļi gadu gaitā ir attīstījušies, jo ir uzkrājušies pierādījumi. Jaunais modelis parāda, ka divi no četriem hromatīdiem, kas atrodas mejozes sākumā (I fāze), ir savienoti pārī viens ar otru un spēj mijiedarboties. Tajā notiek hromosomu un gēnu rekombinācija. Tomēr mejozes adaptīvās funkcijas skaidrojumi, kas koncentrējas tikai uz krustojumu, ir nepietiekami lielākajai daļai apmaiņas notikumu.
Mitoze un nehomoloģiskās hromosomas
Eukariotu šūnās krustojums var notikt arī mitozes laikā. Tā rezultātā veidojas divas šūnas ar identisku ģenētisko materiālu. Jebkurš krustojums, kas notiek starp homologām hromosomām mitozē, nerada jaunu gēnu kombināciju.
Šķērsošanās, kas notiek nehomologās hromosomās, var radīt mutāciju, kas pazīstama kāpārvietošana. Tas notiek, kad hromosomas segments atdalās no nehomoloģiskās molekulas un pārvietojas uz jaunu pozīciju. Šāda veida mutācijas var būt bīstamas, jo tās bieži izraisa vēža šūnu attīstību.
Gēnu konvertēšana
Kad gēni tiek pārveidoti, daļa ģenētiskā materiāla tiek kopēta no vienas hromosomas uz otru, nemainot donoru. Gēnu konversija notiek ar augstu frekvenci faktiskajā atrašanās vietā. Šis ir process, kurā DNS secība tiek kopēta no vienas spirāles uz otru. Gēnu un hromosomu rekombinācija ir pētīta sēnīšu krustojumos, kur ir ērti novērot četrus atsevišķu meiožu produktus. Gēnu konversijas notikumus var atšķirt kā atsevišķu šūnu dalīšanās novirzes no normālas 2:2 segregācijas.
Gēnu inženierija
Gēnu rekombinācija var būt mākslīga un apzināta. To izmanto dažādiem DNS fragmentiem, bieži vien no dažādiem organismiem. Tādējādi tiek iegūta rekombinantā DNS. Mākslīgo rekombināciju var izmantot, lai pievienotu, noņemtu vai mainītu organisma gēnus. Šī metode ir svarīga biomedicīnas pētījumiem gēnu un proteīnu inženierijas jomā.
Rekombinantā atkopšana
Mitozes un meiozes laikā dažādu eksogēno faktoru bojāto DNS var glābt ar homologo labošanas posmu (HRS). Cilvēkiem un grauzējiem FGF nepieciešamo gēnu produktu deficīts mejozes laikā izraisa neauglību.
Baktērijastransformācija ir gēnu pārneses process, kas parasti notiek starp atsevišķām vienas sugas šūnām. Tas ietver donora DNS integrāciju saņēmēja hromosomā, izmantojot gēnu rekombināciju. Šis process ir pielāgošanās bojāto šūnu labošanai. Transformācija var dot labumu patogēnām baktērijām, ļaujot novērst DNS bojājumus, kas rodas iekaisuma, oksidatīvā vidē, kas saistīta ar saimnieka infekciju.
Kad divi vai vairāki vīrusi, no kuriem katrs satur nāvējošus genoma bojājumus, inficē vienu un to pašu saimniekšūnu, genomi var pāroties viens ar otru un iziet cauri FGP, lai radītu dzīvotspējīgus pēcnācējus. Šo procesu sauc par daudzkārtēju reaktivāciju. Tas ir pētīts vairākos patogēnos vīrusos.
Rekombinācija prokariotu šūnās
Prokariotu šūnas, tāpat kā vienšūnas baktērijas bez kodola, arī tiek pakļautas ģenētiskai rekombinācijai. Šajā gadījumā vienas baktērijas gēni tiek iekļauti citas baktērijas genomā, krustojot. Baktēriju rekombināciju veic konjugācijas, transformācijas vai transdukcijas procesi.
Konjugācijā viena baktērija ir savienota ar otru caur proteīna cauruļveida struktūru. Transformācijas procesā prokarioti ņem DNS no vides. Visbiežāk tie nāk no atmirušajām šūnām.
Transdukcijā DNS apmainās ar vīrusu, kas inficē baktērijas, kas pazīstams kā bakteriofāgs. Kad svešā šūna ir internalizēta, izmantojot konjugāciju, transformāciju vai transdukciju,baktērija var ievietot savus segmentus savā DNS. Šī pārnešana tiek veikta, krustojot, un rezultātā tiek izveidota rekombinanta baktēriju šūna.
