TÁI TỔ HỢP DI TRUYỀN: CÁC LOẠI VÀ CƠ CHẾ - SINH HỌC - 2026

Các tái tổ hợp di truyền là quá trình mà các phân tử của mảnh axit nucleic trao đổi tạo ra một phân tử mới. Nó rất phổ biến trong DNA, nhưng RNA cũng là chất nền để tái tổ hợp. Sau khi đột biến, tái tổ hợp là nguồn quan trọng nhất để tạo ra các biến dị di truyền.

DNA tham gia vào các quá trình sinh hóa khác nhau. Trong quá trình sao chép, nó đóng vai trò như một khuôn mẫu để tạo ra hai phân tử DNA mới. Trong phiên mã, nó có thể tạo ra các phân tử RNA từ các vùng cụ thể được kiểm soát bởi promoter.

Các bước chung của tái tổ hợp DNA. Juergen Bode, qua Wikimedia Commons

Nhưng ngoài điều này, DNA cũng có khả năng trao đổi các đoạn. Thông qua quá trình này, nó tạo ra các kết hợp mới không phải là sản phẩm của hai quá trình trước đó, cũng không phải của quá trình thụ tinh.

Tất cả quá trình tái tổ hợp liên quan đến việc phá vỡ và nối các phân tử DNA tham gia vào quá trình này. Cơ chế này thay đổi tùy thuộc vào chất nền tái tổ hợp, các enzym tham gia vào quá trình và cơ chế thực hiện của nó.

Sự tái tổ hợp thường phụ thuộc vào sự tồn tại của các vùng bổ sung, tương tự (nếu không giống nhau), hoặc tương đồng giữa các phân tử tái tổ hợp. Trong trường hợp các phân tử tái tổ hợp trong các quá trình không được hướng dẫn bởi sự tương đồng, thì sự tái tổ hợp được cho là không tương đồng.

Nếu sự tương đồng liên quan đến một vùng rất ngắn có trong cả hai phân tử, thì sự tái tổ hợp được cho là đặc trưng cho từng vị trí.

Định nghĩa

Cái mà chúng ta gọi là tương đồng trong tái tổ hợp không nhất thiết đề cập đến nguồn gốc tiến hóa của các phân tử tham gia. Đúng hơn, chúng ta đang nói về mức độ giống nhau trong trình tự nucleotide.

Ví dụ, tái tổ hợp không đối chiếu xảy ra ở sinh vật nhân chuẩn trong quá trình meiosis. Không nghi ngờ gì nữa, không thể có sự tương đồng nào lớn hơn giữa các cặp nhiễm sắc thể trong cùng một tế bào.

Đó là lý do tại sao chúng được gọi là nhiễm sắc thể tương đồng. Tuy nhiên, có những trường hợp DNA của tế bào trao đổi vật chất với DNA ngoại lai. Những DNA này phải rất giống nhau để tái tổ hợp, nhưng chúng không nhất thiết phải chia sẻ cùng một tổ tiên (tương đồng) để đạt được điều này.

Chiasm và chéo

Vị trí gắn và trao đổi giữa hai phân tử DNA được gọi là chiasm, và bản thân quá trình này được gọi là liên kết chéo. Trong quá trình trao đổi chéo, một băng trao đổi giữa các DNA tham gia được xác minh.

Điều này tạo ra một đồng liên kết, là hai phân tử DNA hợp nhất về mặt vật lý thành một. Khi đồng liên kết "phân giải", hai phân tử được tạo ra, thường bị thay đổi (tái tổ hợp).

Để "giải quyết", trong bối cảnh tái tổ hợp, là tách các phân tử DNA thành phần của một đồng liên kết.

Các kiểu tái tổ hợp di truyền

-Sự kết hợp cụ thể theo từng trang web

Trong tái tổ hợp theo vị trí cụ thể, hai phân tử DNA, thường không tương đồng, có một trình tự ngắn chung cho cả hai. Trình tự này là mục tiêu của một loại enzym nối cụ thể.

Enzyme có khả năng nhận ra trình tự này chứ không phải trình tự khác, cắt nó tại một vị trí cụ thể trong cả hai phân tử. Với sự trợ giúp của một số yếu tố khác, nó hoán đổi các dải DNA của hai phân tử tham gia và tạo thành một liên kết đồng liên kết.

Escherichia coli

Đây là cơ sở cho sự hình thành đồng liên kết giữa bộ gen của vi khuẩn Escherichia coli và bộ gen của vi khuẩn lambda. Xạ khuẩn là một loại vi rút lây nhiễm vi khuẩn.

Sự hình thành đồng liên kết này được thực hiện bởi một enzym được mã hóa trong bộ gen của virus: lambda integrationse. Nó nhận ra một trình tự chung được gọi là attP trong bộ gen tròn của vi rút và attB trong bộ gen của vi khuẩn.

Bằng cách cắt cả hai trình tự trong cả hai phân tử, nó tạo ra các phân đoạn tự do, hoán đổi các dải và nối hai bộ gen. Sau đó, một vòng tròn lớn hơn hoặc liên kết được hình thành.

Trong quá trình đồng liên kết, bộ gen của vi rút được mang một cách thụ động bởi bộ gen của vi khuẩn, nhờ đó nó sẽ sao chép. Ở trạng thái này, người ta nói rằng vi rút đang ở trạng thái provirus, và vi khuẩn là chất sinh ly cho nó.

Quá trình ngược lại, tức là, sự phân giải của đồng liên kết, có thể mất nhiều thế hệ - hoặc thậm chí không xảy ra. Tuy nhiên, làm như vậy là qua trung gian enzym bởi một protein khác được mã hóa bởi bộ gen của virus có tên là excisionase. Khi điều này xảy ra, vi rút tách ra khỏi đồng liên kết, tái hoạt động và gây ly giải tế bào.

-Sự tái kết hợp đồng nhất

Tổng hợp tái tổ hợp

Tái tổ hợp tương đồng xảy ra giữa các phân tử ADN có ít nhất khoảng 40 nucleotit tương đồng hoàn toàn hoặc gần như hoàn toàn. Để thực hiện quá trình tái tổ hợp, ít nhất phải có một endonuclease tham gia.

Endonuclease là các enzym tạo ra các vết cắt bên trong DNA. Một số làm điều đó để tiến hành phân hủy DNA. Những người khác, như trong trường hợp tái tổ hợp, làm điều đó để tạo ra vết lõm trên DNA.

Nick duy nhất này cho phép xử lý DNA một dải đơn với đầu tự do. Đầu tự do này, được định hướng bởi một tái tổ hợp, cho phép một dải đơn xâm nhập vào DNA kép, thay thế dải thường trú giống hệt với nó.

Đây là điểm giao nhau giữa phân tử DNA của người hiến tặng ("kẻ xâm lược") và một thụ thể khác.

Enzyme (tái tổ hợp) thực hiện quá trình xâm nhập và trao đổi dải ở Escherichia coli được gọi là RecA. Có những protein tương đồng khác ở sinh vật nhân sơ, chẳng hạn như RadA ở vi khuẩn cổ. Ở sinh vật nhân chuẩn, enzym tương đương được gọi là RAD51.

Một khi dải xâm lấn chiếm chỗ của cư dân, nó sẽ tương tác với dải được để đơn giản trong phân tử cho. Cả hai vị trí đều được niêm phong bởi hoạt động của một ligase.

Bây giờ chúng ta có DNA của các dải lai (một dải cho và một dải nhận, có nguồn gốc khác nhau) nằm bên cạnh DNA của người cho và DNA của người nhận. Các điểm giao nhau (chiasmata) di chuyển theo cả hai hướng ít nhất 200 bp.

Mỗi điểm của sự trao đổi chéo hình thành cái được gọi là cấu trúc Holliday (sản phẩm DNA dạng thập tự của một sự kiện tái tổ hợp).

DNA dạng thập tự này phải được phân giải bởi các endonuclease khác. DNA của cấu trúc này có thể được phân giải theo hai cách. Nếu lần cắt endonucleotide thứ hai xảy ra cùng dải với lần thứ nhất thì không xảy ra tái tổ hợp. Nếu lần cắt thứ hai xảy ra ở dải kia, các sản phẩm tạo thành là tái tổ hợp.

DNA tái tổ hợp trong cấu trúc Holliday. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Mao-4armjunction-schematic.png.

Tái tổ hợp V (D) J

Đây là một loại tái tổ hợp soma (không phải meiotic) góp phần tạo ra sự biến đổi rất lớn của các kháng thể của hệ thống miễn dịch.

Sự tái tổ hợp này diễn ra trong các đoạn cụ thể của gen mã cho chuỗi polypeptit xác định chúng. Nó được thực hiện bởi các tế bào B và liên quan đến các vùng di truyền khác nhau.

Điều thú vị là có những ký sinh trùng như Trypanosoma brucei sử dụng cơ chế tái tổ hợp tương tự để tạo ra sự biến đổi trong một kháng nguyên bề mặt. Bằng cách này, chúng có thể né tránh phản ứng của vật chủ nếu vật chủ không tạo ra được kháng thể có khả năng nhận ra kháng nguyên "mới".

Sự đa dạng của các kháng thể được tạo ra bằng cách tái tổ hợp. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Cambio_clase_recombinacion.PNG

-Không tái tổ hợp tương đồng

Cuối cùng, có những quá trình tái tổ hợp không phụ thuộc vào sự giống nhau trong trình tự của các phân tử tham gia. Ví dụ, ở sinh vật nhân thực, sự tái tổ hợp của các đầu không tương đồng là rất quan trọng.

Điều này xảy ra với các đoạn DNA có dấu hiệu đứt đôi trong DNA. Chúng được "sửa chữa" bằng cách tế bào nối chúng với các mảnh khác cũng bằng các đứt dải kép.

Tuy nhiên, các phân tử này không nhất thiết phải giống nhau để tham gia vào quá trình tái tổ hợp này. Tức là, bằng cách sửa chữa những tổn thương, tế bào có thể kết hợp các DNA không liên quan, do đó tạo ra một phân tử thực sự mới (tái tổ hợp).

Tầm quan trọng của tái tổ hợp

Tầm quan trọng như một nguyên nhân: sao chép và sửa chữa DNA

Sự tái tổ hợp đảm bảo tính trung thực của thông tin DNA trong và sau quá trình sao chép. Sự tái tổ hợp phát hiện tổn thương DNA trong quá trình tạo dải mới trong đại phân tử cực kỳ dài này.

Vì mỗi băng tần có thông tin riêng và thông tin bổ sung của nó, sự kết hợp lại đảm bảo rằng không có thông tin nào bị mất. Mỗi người đóng vai trò như một nhân chứng cho người kia. Tương tự, ở các sinh vật lưỡng bội, một nhiễm sắc thể tương đồng chứng kiến ​​anh chị em của nó và ngược lại.

Mặt khác, một khi DNA đã được sao chép, các cơ chế sửa chữa tổn thương của phân tử này rất khác nhau. Một số là trực tiếp (thương tích xảy ra trực tiếp) và những người khác là gián tiếp.

Cơ chế sửa chữa gián tiếp phụ thuộc vào sự tái tổ hợp để diễn ra. Đó là, để sửa chữa những hư hỏng trong một phân tử DNA, một phân tử tương đồng khác được sử dụng. Điều này sẽ hoạt động trong sự tái tổ hợp so sánh như một khuôn mẫu mà từ đó nó đã bị hư hại.

Tầm quan trọng như một hệ quả: tạo ra sự biến đổi di truyền

Sự tái tổ hợp có khả năng tạo ra sự biến đổi nhiễm sắc thể rất lớn trong quá trình meiosis. Sự tái tổ hợp soma cũng tạo ra sự biến đổi, như trong trường hợp kháng thể ở động vật có xương sống.

Ở nhiều sinh vật, meiosis là giao tử. Ở các sinh vật sinh sản hữu tính, sự tái tổ hợp hóa ra là một trong những cách mạnh mẽ nhất để tạo ra sự biến đổi.

Điều đó có nghĩa là, đối với đột biến tự phát và sự phân li nhiễm sắc thể, sự tái tổ hợp phải được thêm vào như một yếu tố khác tạo ra sự biến đổi giao tử.

Mặt khác, sự hợp nhất của các bộ gen của thực khuẩn bằng cách tái tổ hợp theo vị trí cụ thể đã góp phần vào việc sửa đổi bộ gen của vi khuẩn chủ của chúng.

Điều này đã góp phần tạo ra sự biến đổi bộ gen và sự tiến hóa của nhóm sinh vật quan trọng này.

Tái tổ hợp và sức khỏe

Chúng ta đã thấy rằng DNA có thể được sửa chữa, nhưng không phải những gì làm hỏng nó. Trong thực tế, hầu hết mọi thứ đều có thể làm hỏng DNA, bắt đầu bằng sự sao chép bị lỗi và không được điều chỉnh.

Nhưng ngoài ra, DNA có thể bị hư hại bởi tia UV, bức xạ ion hóa, các gốc oxy tự do từ quá trình hô hấp tế bào và những gì chúng ta ăn, hút thuốc, hít thở, ăn vào hoặc chạm vào.

May mắn thay, bạn không phải từ bỏ cuộc sống để bảo vệ DNA. Những việc nhất định phải từ bỏ, nhưng việc lớn do chi bộ tự làm. Những cơ chế này để phát hiện tổn thương DNA và sửa chữa nó, rõ ràng là có cơ sở di truyền, và sự thiếu hụt của chúng sẽ gây ra những hậu quả to lớn.

Các bệnh liên quan đến khiếm khuyết trong tái tổ hợp tương đồng bao gồm, ví dụ, hội chứng Bloom và Werner, ung thư vú và buồng trứng có tính gia đình, v.v.

Người giới thiệu

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Sinh học phân tử của tế bào (Phiên bản thứ 6). WW Norton & Company, New York, NY, Hoa Kỳ.
2. Bell, JC, Kowalczykowski, SC (2016) Cơ học và thẩm vấn đơn phân tử của sự tái tổ hợp DNA. Đánh giá hàng năm về Hóa sinh, 85: 193-226.
3. Prado, F. () Tái tổ hợp đồng loại: To Fork and Beyond. Gen, doi: 10,3390 / gien9120603
4. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). Giới thiệu về Phân tích Di truyền (xuất bản lần thứ 11). New York: WH Freeman, New York, NY, Hoa Kỳ.
5. Tock, AJ, Henderson, IR (2018) Các điểm nóng để bắt đầu tái tổ hợp Meiotic. Biên giới trong Di truyền, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) A Prophages ở Salmonella enterica: động lực trong việc định hình lại bộ gen và sinh lý của vật chủ vi khuẩn của chúng? Vi sinh phân tử, doi: 10.1111 / mmi.14167.
7. Wright, WD, Shah, SS, Heyer, WD (2018) Tái tổ hợp đồng loại và sửa chữa đứt gãy chuỗi kép DNA. Tạp chí Hóa học Sinh học, 293: 10524-10535