Генната рекомбинация е обмен на генетичен материал между различни организми. Това води до производството на потомство с комбинации от черти, които се различават от тези, открити и при двамата родители. Повечето от тези генетични обмени се случват естествено.
Как става
Генната рекомбинация започва в резултат на разделянето на гените по време на образуването на гамети по време на мейоза, оплождане и кръстосване. Кръстосването позволява на алелите на ДНК молекулите да променят позицията си от един хомоложен хромозомен сегмент на друг. Рекомбинацията е отговорна за генетичното разнообразие на даден вид или популация.
Хромозомна структура
Хромозомите са разположени вътре в ядрото на клетките. Те се образуват от хроматин, маса от генетичен материал, направен от ДНК, който е увит плътно около протеини, наречени хистони. Хромозомата обикновено е едноверижна и се състои от центромерна област, която свързва дългите и късите области.
Дублиране на хромозоми
Когато клетката навлезе в своя жизнен цикъл, нейните хромозомисе дублират чрез репликация на ДНК в подготовка за разделяне. Всяка дублирана хромозома се състои от две еднакви, наречени сестрински хроматиди. Те са свързани с района на центромерите. Когато клетките се делят, се образуват сдвоени набори. Те се състоят от една хромозома (хомоложна) от всеки родител.
Хромозомен обмен
Генната рекомбинация по време на кръстосването е описана за първи път от Томас Хънт Морган. При еукариотите това се улеснява от кръстосване на хромозоми. Процесът на кръстосване води до това, че потомството има различни комбинации от гени и може да произведе нови химерни алели. Това позволява на сексуално размножаващите се организми да избягват тресчотката на Мьолер, при която геномите на асексуална популация натрупват генетични делеции по необратим начин.
По време на профаза I четирите хроматиди са тясно свързани. В тази формация хомоложните места на две молекули могат да се сдвояват помежду си и да обменят генетична информация. Генната рекомбинация може да се случи навсякъде по хромозомата. Честотата му между две точки зависи от разстоянието, което ги разделя.
Значение
Проследяването на движението на гените в резултат на кръстосване се оказа много полезно за генетиците. Това дава възможност да се определи колко далеч един от друг са два гена в една хромозома. Науката може също да използва този метод, за да заключи наличието на определени гени. Едната молекула в свързана двойка служи като маркер за откриване на присъствието на другата. Използва се за откриване на наличието на патогенигени.
Честотата на рекомбинация между два наблюдавани локуса е пресечната стойност. Зависи от взаимното разстояние на наблюдаваните генетични огнища. За всеки фиксиран набор от условия на околната среда, рекомбинацията в определен регион на структурата на връзката (хромозомата) има тенденция да бъде постоянна. Същото важи и за стойността на пресичане, която се използва при генериране на генетични карти.
Мейоза
Хромозомният кросоувър включва обмен на сдвоени хромозоми, наследени от всеки родител. Мейозата, като основа на генната рекомбинация, играе важна роля в този процес. Молекулните модели на този процес са се развивали през годините с натрупването на доказателства. Новият модел демонстрира, че две от четирите хроматиди, присъстващи в началото на мейозата (профаза I), са сдвоени помежду си и са в състояние да взаимодействат. В него се извършва рекомбинация на хромозоми и гени. Въпреки това, обясненията за адаптивната функция на мейозата, които се фокусират единствено върху пресечната точка, са недостатъчни за повечето обменни събития.
Митоза и нехомоложни хромозоми
В еукариотните клетки кръстосването може да се случи и по време на митоза. Това води до две клетки с идентичен генетичен материал. Всяко кръстосване, което се случва между хомоложни хромозоми при митоза, не произвежда нова комбинация от гени.
Пресичането, което се случва в нехомоложни хромозоми, може да доведе до мутация, известна катотранслокация. Това се случва, когато сегмент от хромозома се отдели и се премести на нова позиция върху нехомоложна молекула. Този тип мутация може да бъде опасна, тъй като често води до развитие на ракови клетки.
Преобразуване на ген
Когато гените се трансформират, част от генетичния материал се копира от една хромозома в друга, без да се сменя донора. Преобразуването на ген се случва с висока честота в действителното местоположение. Това е процесът, при който ДНК последователност се копира от една спирала в друга. Рекомбинацията на гени и хромозоми е изследвана при гъбични кръстоски, където е удобно да се наблюдават четирите продукта на отделните мейози. Събитията за конверсия на ген могат да бъдат разграничени като отклонения в индивидуалното клетъчно делене от нормалното разделяне 2:2.
Генно инженерство
Генната рекомбинация може да бъде изкуствена и преднамерена. Използва се върху различни ДНК фрагменти, често от различни организми. Така се получава рекомбинантна ДНК. Изкуствената рекомбинация може да се използва за добавяне, премахване или промяна на гените на организма. Този метод е важен за биомедицинските изследвания в областта на генетичното и протеиново инженерство.
Рекомбинантно възстановяване
По време на митоза и мейоза, ДНК, повредена от различни екзогенни фактори, може да бъде запазена чрез стъпката на хомоложно възстановяване (HRS). При хора и гризачи дефицитът на генните продукти, необходими за FGF по време на мейоза, причинява безплодие.
Бактериитрансформацията е процесът на генен трансфер, който обикновено се случва между отделни клетки от един и същи вид. Той включва интегрирането на донорна ДНК в хромозомата на реципиента чрез генна рекомбинация. Този процес е адаптация за възстановяване на увредените клетки. Трансформацията може да е от полза за патогенните бактерии, като позволява възстановяване на увреждането на ДНК, което се случва във възпалителната, окислителна среда, свързана с инфекцията на гостоприемника.
Когато два или повече вируса, всеки от които съдържа смъртоносни геномни увреждания, заразят една и съща клетка гостоприемник, геномите могат да се чифтосват един с друг и да преминат през FGP, за да произведат жизнеспособно потомство. Този процес се нарича повторно активиране на множеството. Изследван е в няколко патогенни вируса.
Рекомбинация в прокариотни клетки
Прокариотните клетки, като едноклетъчни бактерии без ядро, също претърпяват генетична рекомбинация. В този случай гените на една бактерия се включват в генома на друга чрез кръстосване. Бактериалната рекомбинация се осъществява чрез процесите на конюгация, трансформация или трансдукция.
При конюгиране една бактерия е свързана с друга чрез протеинова тубулна структура. В процеса на трансформация прокариотите вземат ДНК от околната среда. Най-често идват от мъртви клетки.
При трансдукция ДНК се обменя чрез вирус, който инфектира бактериите, известен като бактериофаг. След като чуждата клетка се интернализира чрез конюгация, трансформация или трансдукция,бактерията може да вмъкне своите сегменти в собствената си ДНК. Този трансфер се осъществява чрез кръстосване и води до създаването на рекомбинантна бактериална клетка.
