إعادة التركيب المتماثل: الوظائف ، الآلية والتطبيقات

إعادة التركيب المثلي هي عملية تنطوي على تبادل جزيئات الحمض النووي بين أقسام مماثلة أو متطابقة من الجينوم. تستخدم الخلايا إعادة التركيب المتماثل بشكل أساسي لإصلاح الانقطاعات في المادة الوراثية ، مما يولد تباينًا وراثيًا في المجموعات السكانية.

بشكل عام ، تشير التركيبات المتجانسة إلى الاقتران المادي بين المناطق المتجانسة للمادة الوراثية ، يليه كسر السلاسل التي ستخضع للتبادل ، وأخيراً اتحاد جزيئات الدنا الجديدة مجتمعة.

يجب إصلاح الانقطاعات في الحمض النووي في أسرع وقت ممكن وبكفاءة. عندما لا يتم إصلاح الأضرار ، قد تكون العواقب وخيمة ومميتة. في البكتيريا ، تتمثل الوظيفة الرئيسية لإعادة التركيب المتماثل في إصلاح هذه الانقطاعات في المادة الوراثية.

تعتبر إعادة التركيب المتماثل واحدة من الآليات الرئيسية التي تسمح باستقرار الجينوم. إنه موجود في جميع مجالات الحياة وحتى في الفيروسات ، لذلك يُفترض أنها آلية حيوية ظهرت مبكرًا جدًا في تطور الحياة.

المنظور التاريخي

أحد أهم المبادئ التي اقترحها جريجور مندل هو الاستقلال في الفصل بين الشخصيات. وفقًا لهذا القانون ، تنتقل الجينات المختلفة من الآباء إلى الأطفال بشكل مستقل.

ومع ذلك ، في عام 1900 كان هناك استثناءات واضحة للغاية لهذا المبدأ. أظهر عالما الوراثة الإنجليزيان Bateson و Punnett أنه يتم توارث شخصيات معيّنة معًا عدة مرات ، ولهذه الميزات ، ليس للمبدأ الذي أعلنه Mendel أي صلاحية.

نجحت التحقيقات اللاحقة في توضيح وجود عملية إعادة التركيب ، حيث تمكنت الخلايا من تبادل المادة الوراثية. في الحالات التي تكون فيها الجينات الموروثة معًا ، لم يتم تبادل الحمض النووي بسبب التقارب الجسدي بين الجينات.

ما هو التركيب المماثل؟

إعادة التركيب المتماثل هو ظاهرة خلوية تتضمن التبادل المادي لتسلسل الحمض النووي بين كروموسومات. يتضمن إعادة التركيب مجموعة من الجينات المعروفة باسم جينات rec. هذه الشفرة لمختلف الانزيمات المشاركة في العملية.

تُعتبر جزيئات الحمض النووي "متجانسة" عندما تشترك في تسلسلات مماثلة أو متطابقة لأكثر من 100 زوج أساسي. يحتوي DNA على مناطق صغيرة يمكن أن تختلف عن بعضها البعض ، وتعرف هذه المتغيرات باسم الأليلات.

في الكائنات الحية ، كل الحمض النووي يعتبر الحمض النووي المؤتلف. يحدث تبادل المواد الوراثية بين الكروموسومات بشكل مستمر ، حيث يتم خلط الجينات في الكروموسومات وإعادة ترتيبها.

تحدث هذه العملية بوضوح في الانقسام الاختزالي. على وجه التحديد في المرحلة التي تقترن فيها الكروموسومات في انقسام الخلية الأول. في هذه المرحلة ، يحدث تبادل المواد الوراثية بين الكروموسومات.

تاريخيا ، تم تحديد هذه العملية في الأدب باستخدام الكلمة الأنجلو سكسونية التي تعبر. هذا الحدث هو واحد من نتائج إعادة التركيب مثلي.

يعتمد تكرار العبور بين جينات من نفس الصبغي على المسافة بين الاثنين ؛ أصغر المسافة المادية بينهما ، وانخفاض وتيرة التبادل.

وظائف وعواقب إعادة التركيب مثلي

تتعرض المادة الوراثية باستمرار للضرر الناجم عن المصادر الداخلية والخارجية ، مثل الإشعاع ، على سبيل المثال.

تشير التقديرات إلى أن الخلايا البشرية تقدم عددًا كبيرًا من الآفات في الحمض النووي ، من عشرات إلى مئات في اليوم. يجب إصلاح هذه الآفات لتجنب حدوث طفرات ضارة محتملة ، انسداد في النسخ المتماثل والنسخ وتلف الكروموسومات.

من الناحية الطبية ، فإن تلف الحمض النووي الذي لم يتم إصلاحه بشكل صحيح يؤدي إلى تطور الأورام وغيرها من الأمراض.

إعادة التركيب المتماثل هو حدث يسمح بإصلاح الحمض النووي ، مما يسمح باستعادة المتواليات المفقودة ، باستخدام قالب آخر للحمض النووي (متماثل) كقالب.

هذه العملية الأيضية موجودة في جميع أشكال الحياة ، وتوفر آلية عالية الدقة تسمح بإصلاح "الثغرات" في الحمض النووي ، والفواصل المزدوجة الذين تقطعت بهم السبل والروابط المتقاطعة بين سلاسل الحمض النووي.

واحدة من أكثر النتائج ذات الصلة لإعادة التركيب هي توليد التباين الوراثي الجديد. إلى جانب الطفرات ، هما العمليتان اللتان تولدان تباينًا في الكائنات الحية - تذكر أن الاختلاف هو المادة الخام للتطور.

بالإضافة إلى ذلك ، يوفر آلية لإعادة تشغيل شوكات النسخ المتماثل التي تعرضت للتلف.

في البكتيريا

في البكتيريا ، هناك أحداث متكررة لنقل الجينات الأفقية. هذه تصنف على أنها الاقتران والتحول والانتقال. هنا ، تأخذ بدائيات النوى الحمض النووي من كائن آخر ، وحتى من أنواع مختلفة.

خلال هذه العمليات ، يحدث إعادة التركيب المتماثل بين الخلية المستلمة والخلية المانحة.

تقنية

تبدأ إعادة التركيب المتماثل مع كسر أحد فروع جزيء الحمض النووي الصبغي. بعد ذلك ، تحدث سلسلة من الخطوات المحفزة بواسطة إنزيمات متعددة.

يتم غزو الطرف 3'-end حيث يحدث القص بواسطة حبلا الحمض النووي المتماثل المزدوج. عملية الغزو أمر بالغ الأهمية. مع "السلسلة المتماثلة" ، نريد أن نشير إلى أجزاء من الكروموسومات التي لها نفس الجينات في ترتيب خطي ، على الرغم من أن تسلسل النيوكليوتيدات لا يجب أن يكون متطابقًا.

المشبك

هذا الغزو للحبلا يضع الكروموسومات المتماثلة التي تواجه بعضها البعض. وتسمى هذه الظاهرة من حبلا حبلا synapsis (لا ينبغي الخلط بينه وبين المشبك في الخلايا العصبية ، وهنا يستخدم المصطلح مع معنى آخر).

المشبك لا يعني بالضرورة وجود اتصال مباشر بين كلا التسلسلين المتماثلين ، يمكن أن يستمر الحمض النووي في التحرك لفترة حتى يجد الجزء المتماثل. تسمى عملية البحث هذه المحاذاة المتماثلة.

تشكيل حلقة D

ثم ، حدث يسمى "غزو مؤشر الترابط". كروموسوم هو الحلزون المزدوج للحمض النووي. في التركيب المتماثل ، يبحث اثنان من الكروموسومات عن تسلسلهما المتماثلين. في إحدى الحلزونات ، تنفصل الشرائط ، ويغزو هذا الشريط هيكل اللولب المزدوج ، مكونًا بنية تسمى حلقة D.

تم تهجير سلسلة الحلقة D من خلال غزو السلسلة التي تمزق والأزواج مع حلية الحلزون المزدوجة التكميلية.

تشكيل نقابات هوليداي

والخطوة التالية هي تشكيل تقاطعات هوليداي. هنا ، ترتبط نهايات المواضيع المتبادلة. هذا الاتحاد لديه القدرة على التحرك في أي اتجاه. يمكن كسر الاتحاد وتشكيله في مناسبات متعددة.

وتتمثل العملية النهائية لإعادة التركيب في حل هذه الوصلات وهناك طريقتان أو طريقتان تحقق بهما الخلية. واحد منهم هو انقسام الاتحاد أو عملية تسمى الانحلال ، نموذجي للكائنات حقيقية النواة.

في الآلية الأولى ، أعاد كسر اتحاد هوليداى إنشاء سلسلتين. في حالة أخرى من "حل" يحدث نوع من الانهيار في الاتحاد.

البروتينات المعنية

يسمى البروتين الحاسم لعملية إعادة التركيب Rad51 في خلايا حقيقية النواة ، و RecA في الإشريكية القولونية. وهو يعمل في مراحل مختلفة من إعادة التركيب: قبل وأثناء وبعد المشبك.

يسهّل بروتين Rad51 تكوين الارتباط الجسدي بين الدنا الغازية والحمض النووي. في هذه العملية يتم إنشاء DNA heteroduplex.

Rad51 ، و RecA متماثل لها ، تحفز البحث عن الحمض النووي متماثل وتبادل فروع الحمض النووي. هذه البروتينات لديها القدرة على الربط بشكل تعاوني مع الحمض النووي أحادي النطاق.

هناك أيضًا جينات مكافئة (نشأت عن أحداث ازدواج الجينات في نسب الكائنات الحية) لـ Rad51 ، تسمى Rad55 و Rad57. في البشر ، تم تحديد خمسة جينات رادوية paralog تسمى Rad51B و Rad51C و Rad51D و Xrcc2 و Xrcc3.

تشوهات مرتبطة بعمليات إعادة التركيب

بما أن إعادة التركيب تتطلب الربط المادي في الكروموسومات ، فهي خطوة حاسمة في الفصل الصحيح أثناء الانقسام الاختزالي. إذا لم تحدث إعادة التركيب الكافي ، فقد تكون النتيجة مرضًا مهمًا.

يعد عدم انفصال الصبغيات أو الأخطاء في الفصل أحد أكثر أسباب الإجهاض وحالات الشذوذ من أصل الكروموسومات ، مثل تثليث الكروموسوم 21 ، الذي يسبب متلازمة داون.

على الرغم من أن إعادة التركيب عادة ما تكون عملية دقيقة إلى حد ما ، فإن مناطق الجينوم التي تتكرر والجينات التي لها نسخ متعددة على طول الجينوم هي عناصر عرضة للتقاطع غير المتكافئ .

ينتج هذا التهجين ميزات سريرية مختلفة ، بما في ذلك الأمراض المتكررة مثل الثلاسيميا والتوحد.

تطبيقات إعادة التركيب

استفاد علماء البيولوجيا الجزيئية من معرفة آلية إعادة التركيب المثلي لإنشاء تكنولوجيات مختلفة. واحد من هذه يسمح بإنشاء الكائنات الحية " بالضربة القاضية ".

هذه الكائنات المعدلة وراثيا تسمح لتوضيح وظيفة الجين موضع الاهتمام.

تتمثل إحدى المنهجيات المستخدمة لإنشاء الضربات القاضية في حذف تعبير الجين المحدد الذي يستبدل الجين الأصلي بنسخة معدلة أو "تالفة". يتم تبادل الجين للحصول على نسخة متحورة عن طريق إعادة التركيب مثلي.

أنواع أخرى من إعادة التركيب

بالإضافة إلى التركيب المتماثل أو الشرعي ، هناك أنواع أخرى من تبادل المواد الجينية.

عندما تكون مناطق الحمض النووي التي تتبادل المواد غير أليلية (للكروموسومات المتجانسة) تكون النتيجة هي ازدواجية أو تقليص الجينات. تُعرف هذه العملية باسم إعادة التركيب غير المتماثل أو إعادة التركيب غير المتكافئ.

معًا ، يمكن أيضًا تبادل المادة الوراثية بين كروماتيدات الشقيقة لنفس الكروموسوم. هذه العملية تحدث في كل من الانقسام الانقسامي والانقسام الخيطي ، وتسمى التبادل غير المتكافئ.