Homologna rekombinacija

Homologna rekombinacija je tip genetiče rekombinacije u kojoj se genetičke informacije razmjenjuju između dvije slične ili identične molekule dvolančanih ili jednolančanih nukleinskih kiselina (obično DNK kao u ćelijskim organizmima, ali može biti i RNK u virusima. Ćelije je naširoko koriste za precizno popravljanje štetnih prekida koji se javljaju na oba lanca DNK, poznatih kao dvolančani prelomi (DSB), u procesu koji se naziva homologna rekombinacijska popravka (HRR).^[1] Homologna rekombinacija također stvara nove kombinacije sekvenci DNK tokom mejoze, procesa kojim eukarioti stvaraju gametne ćelije, poput spermatozoida i jajnih ćelija u životinja. Ove nove kombinacije DNK predstavljaju genetičku varijaciju kod potomaka, što zauzvrat omogućava populacijama da se adaptiraju tokom evolucije.^[2] Homologna rekombinacija se takođe koristi za horizontalni prenos gena u razmenu genetičkog materijala između različitih sojeva i vrsta bakterija i virusa.

Iako se homologna rekombinacija uveliko razlikuje među različitim organizmima i tipovima ćelija, za dvolančanu DNK (dsDNK) većina oblika uključuje iste osnovne korake. Nakon što dođe do dvostrukog pucanja, dijelovi DNK oko 5'kraja prekidaju se odsijecanjem u procesu koji se naziva resekcija krajeva DNK . U koraku invazije lanaca, koji slijedi, nadvisivanje 3' kraja prekinute molekule DNK zatim "napada" sličnu ili identičnu molekulu DNK koja nije slomljena . Nakon invazije niti, dalji slijed događaja može biti bilo koji od dva glavna puta: DSBR (dvostruko popravljanje pukotina) putanja ili SDSA (sinteza zavisnih fokusa niti). Homologna rekombinacija koja se dogodi tokom popravljanja DNK obično rezultira proizvodima koji se ne ukrštaju, u stvari obnavljajući oštećenu molekulu DNK, kakva je postojala prije prekida dvostrukog lanca.

Homologna rekombinacija je konzervirana kroz sva tri domena života, kao i DNK i RNA virus, što sugerira da je to gotovo univerzalni biološki mehanizam. Otkriće gena za homolognu rekombinaciju u protisti ma – raznolikoj grupi eukariotskih mikroorganizama – protumačeno je kao dokaz da se mejoza pojavila rano u evoluciji eukariota. Budući da je njihova disfunkcija snažno povezana s povećanom osjetljivošću na nekoliko tipova karcinoma, proteini koji olakšavaju homolognu rekombinaciju teme su aktivnog istraživanja. Homologna rekombinacija se također koristi u ciljanje gena, tehniku za uvođenje genetičkih promjena u ciljne organizme. Za svoj razvoj ove tehnike, Mario Capecchi, Martin Evans i Oliver Smithies nagrađeni su 2007. Nobelovom nagradom za fiziologiju ili medicinu; Capecchi^[3] i Smithies^[4] neovisno su otkrili primjene na matičnim ćelijama mišjih embriona, ali visoko konzervirani mehanizmi u osnovi modela popravka DSB-a, uključujući jednoliku homolognu integraciju transformirane DNK (genska terapija), prvi put pokazali su Orr-Weaver, Szostack i Rothstein u eksperimentima s plazmidima.^[5][6][7] Istraživanje DSB-a izazvanog plazmidima, pomoću γ-zračenja,^[8] u 1970-im i 1980-im, doveli su do kasnijih eksperimenata pomoću endonukleaza (npr. I-SceI) za rezanje hromosoma za genetičko inženjerstvo sisarskih ćelija, gdje je nehomologna rekombinacija češća nego kod kvasca.^[9]

1. ^ Thompson LH, Schild D (juni 2001). "Homologous recombinational repair of DNA ensures mammalian chromosome stability". Mutation Research. 477 (1–2): 131–53. doi:10.1016/S0027-5107(01)00115-4. PMID 11376695.
2. ^ Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P, et al. (2002). "Chapter 5: DNA Replication, Repair, and Recombination". Molecular Biology of the Cell (4th izd.). New York: Garland Science. str. 845. ISBN 978-0-8153-3218-3. OCLC 145080076.
3. ^ Capecchi MR (juni 1989). "Altering the genome by homologous recombination". Science. 244 (4910): 1288–92. Bibcode:1989Sci...244.1288C. doi:10.1126/science.2660260. PMID 2660260.
4. ^ Smithies O, Gregg RG, Boggs SS, Koralewski MA, Kucherlapati RS (19. 9. 1985). "Insertion of DNA sequences into the human chromosomal beta-globin locus by homologous recombination". Nature. 317 (6034): 230–4. doi:10.1038/317230a0. PMID 2995814. S2CID 30212766.
5. ^ Orr-Weaver TL, Szostak JW, Rothstein RJ (oktobar 1981). "Yeast transformation: a model system for the study of recombination". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 78 (10): 6354–8. Bibcode:1981PNAS...78.6354O. doi:10.1073/pnas.78.10.6354. PMC 349037. PMID 6273866.
6. ^ Orr-Weaver TL, Szostak JW (juli 1983). "Yeast recombination: the association between double-strand gap repair and crossing-over". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 80 (14): 4417–21. Bibcode:1983PNAS...80.4417O. doi:10.1073/pnas.80.14.4417. PMC 384049. PMID 6308623.
7. ^ Szostak JW, Orr-Weaver TL, Rothstein RJ, Stahl FW (maj 1983). "The double-strand-break repair model for recombination". Cell. 33 (1): 25–35. doi:10.1016/0092-8674(83)90331-8. PMID 6380756. S2CID 39590123.
8. ^ Resnick MA (juni 1976). "The repair of double-strand breaks in DNA; a model involving recombination". Journal of Theoretical Biology. 59 (1): 97–106. doi:10.1016/s0022-5193(76)80025-2. PMID 940351.
9. ^ Jasin M, Rothstein R (novembar 2013). "Repair of strand breaks by homologous recombination". Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 5 (11): a012740. doi:10.1101/cshperspect.a012740. PMC 3809576. PMID 24097900.