Rekombinacija gena je razmjena genetskog materijala između različitih organizama. To rezultira proizvodnjom potomstva s kombinacijama osobina koje se razlikuju od onih koje se nalaze kod oba roditelja. Većina ovih genetskih razmjena odvija se prirodno.
Kako se to dešava
Rekombinacija gena počinje kao rezultat razdvajanja gena tokom formiranja gameta tokom mejoze, oplodnje i ukrštanja. Ukrštanje omogućava alelima na molekulima DNK da promijene položaj iz jednog homolognog segmenta hromozoma u drugi. Rekombinacija je odgovorna za genetsku raznolikost vrste ili populacije.
Struktura hromozoma
Hromozomi se nalaze unutar jezgra ćelija. Oni se formiraju od hromatina, mase genetskog materijala napravljenog od DNK koji je čvrsto omotan oko proteina zvanih histoni. Kromosom je obično jednolančani i sastoji se od regije centromera koja povezuje duge i kratke regije.
Duplikacija hromozoma
Kada ćelija uđe u svoj životni ciklus, njeni hromozomiumnožavaju se replikacijom DNK u pripremi za diobu. Svaki duplicirani hromozom sastoji se od dva identična hromozoma, koja se nazivaju sestrinske hromatide. Oni su povezani sa regijom centromera. Kada se ćelije podijele, formiraju se upareni skupovi. Sastoje se od jednog hromozoma (homolognog) od svakog roditelja.
Hromozomska razmjena
Rekombinaciju gena tokom križanja prvi je opisao Thomas Hunt Morgan. Kod eukariota to je olakšano ukrštanjem hromozoma. Proces ukrštanja dovodi do toga da potomci imaju različite kombinacije gena i mogu proizvesti nove himerne alele. Ovo omogućava organizmima koji se spolno razmnožavaju da izbjegnu Moeller-ov zupčanik, u kojem genomi aseksualne populacije akumuliraju genetska brisanja na nepovratan način.
Tokom profaze I, četiri hromatide su čvrsto povezane. U ovoj formaciji, homologna mjesta na dva molekula mogu se blisko upariti jedno s drugim i razmjenjivati genetske informacije. Rekombinacija gena može se dogoditi bilo gdje duž hromozoma. Njegova frekvencija između dvije tačke zavisi od udaljenosti koja ih razdvaja.
Značenje
Praćenje kretanja gena kao rezultat ukrštanja pokazalo se vrlo korisnim za genetičare. Ovo omogućava da se utvrdi koliko su dva gena udaljena na hromozomu. Nauka također može koristiti ovu metodu da zaključi prisutnost određenih gena. Jedan molekul u vezanom paru služi kao marker za otkrivanje prisustva drugog. Koristi se za otkrivanje prisustva patogenageni.
Učestalost rekombinacije između dva posmatrana lokusa je vrednost preseka. Zavisi od međusobne udaljenosti posmatranih genetskih žarišta. Za bilo koji fiksni skup uslova okoline, rekombinacija u određenom regionu strukture veze (hromozom) teži da bude konstantna. Isto vrijedi i za vrijednost presjeka, koja se koristi pri generiranju genetskih mapa.
Mejoza
Hromozomsko ukrštanje uključuje razmjenu uparenih hromozoma naslijeđenih od svakog roditelja. Mejoza, kao osnova rekombinacije gena, igra važnu ulogu u ovom procesu. Molekularni modeli ovog procesa evoluirali su tokom godina kako su se dokazi akumulirali. Novi model pokazuje da su dvije od četiri hromatide prisutne na početku mejoze (profaza I) uparene jedna s drugom i da su sposobne za interakciju. U njemu se odvija rekombinacija hromozoma i gena. Međutim, objašnjenja adaptivne funkcije mejoze koja se fokusiraju isključivo na raskrsnicu nisu dovoljna za većinu događaja razmjene.
Mitoza i nehomologni hromozomi
U eukariotskim ćelijama, ukrštanje se takođe može desiti tokom mitoze. To rezultira dvije ćelije sa identičnim genetskim materijalom. Bilo koji crossover koji se dogodi između homolognih hromozoma u mitozi ne proizvodi novu kombinaciju gena.
Ukrštanje koje se javlja u nehomolognim hromozomima može proizvesti mutaciju poznatu kaotranslokacija. Nastaje kada se segment hromozoma odvoji od nehomologne molekule i pomakne na novu poziciju. Ova vrsta mutacije može biti opasna jer često dovodi do razvoja kancerogenih ćelija.
Gene Conversion
Kada se geni transformišu, dio genetskog materijala se kopira sa jednog hromozoma na drugi bez promjene donora. Konverzija gena se događa na visokoj frekvenciji na stvarnoj lokaciji. Ovo je proces kojim se sekvenca DNK kopira iz jedne spirale u drugu. Rekombinacija gena i hromozoma je proučavana u ukrštanju gljiva, gdje je zgodno promatrati četiri produkta pojedinačnih mejoza. Događaji konverzije gena mogu se razlikovati kao odstupanja u diobi pojedinačnih ćelija od normalne 2:2 segregacije.
Gensko inženjerstvo
Rekombinacija gena može biti vještačka i namjerna. Koristi se na različitim fragmentima DNK, često iz različitih organizama. Tako se dobija rekombinantna DNK. Umjetna rekombinacija se može koristiti za dodavanje, uklanjanje ili promjenu gena organizma. Ova metoda je važna za biomedicinska istraživanja u oblasti genetskog i proteinskog inženjeringa.
Rekombinantni oporavak
Tokom mitoze i mejoze, DNK oštećena različitim egzogenim faktorima može biti sačuvana korakom homologne popravke (HRS). Kod ljudi i glodara, nedostatak genskih proizvoda potrebnih za FGF tokom mejoze uzrokuje neplodnost.
Bakterijetransformacija je proces prijenosa gena koji se obično događa između pojedinačnih ćelija iste vrste. Uključuje integraciju DNK donora u hromozom primaoca putem rekombinacije gena. Ovaj proces je adaptacija za popravku oštećenih ćelija. Transformacija može biti od koristi patogenim bakterijama omogućavajući popravak oštećenja DNK do kojih dolazi u inflamatornom, oksidativnom okruženju povezanom s infekcijom domaćina.
Kada dva ili više virusa, od kojih svaki sadrži smrtonosno genomsko oštećenje, inficiraju istu ćeliju domaćina, genomi se mogu međusobno pariti i proći kroz FGP kako bi proizveli održivo potomstvo. Ovaj proces se naziva višestruka reaktivacija. Proučavano je na nekoliko patogenih virusa.
Rekombinacija u prokariotskim ćelijama
Prokariotske ćelije, poput jednoćelijske bakterije bez jezgra, takođe prolaze kroz genetsku rekombinaciju. U ovom slučaju, geni jedne bakterije se ukrštanjem uključuju u genom druge. Bakterijska rekombinacija se izvodi procesima konjugacije, transformacije ili transdukcije.
U konjugaciji, jedna bakterija je povezana s drugom kroz proteinsku tubularnu strukturu. U procesu transformacije, prokarioti uzimaju DNK iz okoline. Najčešće potiču iz mrtvih ćelija.
U transdukciji, DNK se razmjenjuje putem virusa koji inficira bakterije, poznatog kao bakteriofag. Jednom kada se strana ćelija internalizira konjugacijom, transformacijom ili transdukcijom,bakterija može umetnuti svoje segmente u sopstvenu DNK. Ovaj prijenos se vrši ukrštanjem i dovodi do stvaranja rekombinantne bakterijske ćelije.
