Génová rekombinácia je výmena genetického materiálu medzi rôznymi organizmami. Výsledkom je produkcia potomstva s kombináciami vlastností, ktoré sa líšia od vlastností oboch rodičov. Väčšina týchto genetických výmen prebieha prirodzene.
Ako sa to deje
Rekombinácia génov začína ako výsledok separácie génov počas tvorby gamét počas meiózy, oplodnenia a kríženia. Kríženie umožňuje alelám na molekulách DNA zmeniť polohu z jedného homológneho chromozómového segmentu na druhý. Rekombinácia je zodpovedná za genetickú diverzitu druhu alebo populácie.
Štruktúra chromozómu
Chromozómy sa nachádzajú vo vnútri jadra buniek. Sú tvorené z chromatínu, hmoty genetického materiálu vyrobeného z DNA, ktorý je pevne obalený okolo proteínov nazývaných históny. Chromozóm je zvyčajne jednovláknový a pozostáva z oblasti centroméry, ktorá spája dlhé a krátke oblasti.
Duplikácia chromozómov
Keď bunka vstúpi do svojho životného cyklu, jej chromozómysa duplikujú prostredníctvom replikácie DNA pri príprave na delenie. Každý duplikovaný chromozóm pozostáva z dvoch identických, nazývaných sesterské chromatidy. Sú spojené s oblasťou centroméry. Keď sa bunky delia, vytvárajú sa párové sady. Pozostávajú z jedného chromozómu (homológneho) od každého rodiča.
Chromozomálna výmena
Génová rekombinácia počas prechodu bola prvýkrát opísaná Thomasom Huntom Morganom. U eukaryotov je to uľahčené krížením chromozómov. Proces kríženia vedie k tomu, že potomstvo má rôzne kombinácie génov a môže produkovať nové chimérické alely. To umožňuje pohlavne sa rozmnožujúcim organizmom vyhnúť sa Moellerovej západke, v ktorej genómy asexuálnej populácie akumulujú genetické delécie nezvratným spôsobom.
Počas profázy I sú štyri chromatidy pevne spojené. V tejto formácii sa homológne miesta na dvoch molekulách môžu navzájom úzko párovať a vymieňať si genetické informácie. K génovej rekombinácii môže dôjsť kdekoľvek pozdĺž chromozómu. Jeho frekvencia medzi dvoma bodmi závisí od vzdialenosti, ktorá ich oddeľuje.
Význam
Sledovanie pohybu génov v dôsledku kríženia sa ukázalo ako veľmi užitočné pre genetikov. To umožňuje určiť, ako ďaleko sú od seba dva gény na chromozóme. Veda môže tiež použiť túto metódu na odvodenie prítomnosti určitých génov. Jedna molekula vo viazanom páre slúži ako marker na detekciu prítomnosti druhej. Používa sa na zistenie prítomnosti patogénovgény.
Frekvencia rekombinácie medzi dvoma pozorovanými lokusmi je hodnota priesečníka. Závisí od vzájomnej vzdialenosti pozorovaných genetických ložísk. Pre akýkoľvek pevný súbor podmienok prostredia má rekombinácia v určitej oblasti väzbovej štruktúry (chromozóm) tendenciu byť konštantná. To isté platí pre hodnotu priesečníka, ktorá sa používa pri generovaní genetických máp.
Meióza
Chromozomálne kríženie zahŕňa výmenu párových chromozómov zdedených od každého rodiča. Dôležitú úlohu v tomto procese zohráva meióza ako základ génovej rekombinácie. Molekulárne modely tohto procesu sa v priebehu rokov vyvíjali tak, ako sa hromadili dôkazy. Nový model ukazuje, že dve zo štyroch chromatíd prítomných na začiatku meiózy (profáza I) sú navzájom spárované a sú schopné vzájomnej interakcie. Prebieha v ňom rekombinácia chromozómov a génov. Vysvetlenia adaptívnej funkcie meiózy, ktoré sa zameriavajú výlučne na priesečník, sú však pre väčšinu výmenných udalostí nedostatočné.
Mitóza a nehomologické chromozómy
V eukaryotických bunkách môže dôjsť k prekríženiu aj počas mitózy. Výsledkom sú dve bunky s identickým genetickým materiálom. Akýkoľvek prechod medzi homológnymi chromozómami v mitóze nevytvára novú kombináciu génov.
Kríženie, ku ktorému dochádza v nehomologických chromozómoch, môže spôsobiť mutáciu známu akopremiestnenie. Vyskytuje sa, keď sa segment chromozómu oddelí od nehomologickej molekuly a presunie sa do novej polohy. Tento typ mutácie môže byť nebezpečný, pretože často vedie k rozvoju rakovinových buniek.
Génová konverzia
Pri transformácii génov sa časť genetického materiálu skopíruje z jedného chromozómu do druhého bez zmeny darcu. Konverzia génov sa v skutočnom mieste vyskytuje s vysokou frekvenciou. Ide o proces, pri ktorom sa sekvencia DNA skopíruje z jednej špirály do druhej. Rekombinácia génov a chromozómov bola študovaná na hubových kríženiach, kde je vhodné pozorovať štyri produkty jednotlivých meióz. Udalosti konverzie génov možno rozlíšiť ako odchýlky v delení jednotlivých buniek od normálnej segregácie 2:2.
Génové inžinierstvo
Rekombinácia génov môže byť umelá a zámerná. Používa sa na rôznorodé fragmenty DNA, často z rôznych organizmov. Takto sa získa rekombinantná DNA. Umelá rekombinácia sa môže použiť na pridanie, odstránenie alebo zmenu génov organizmu. Táto metóda je dôležitá pre biomedicínsky výskum v oblasti genetického a proteínového inžinierstva.
Rekombinantná obnova
Počas mitózy a meiózy môže byť DNA poškodená rôznymi exogénnymi faktormi zachránená homológnym opravným krokom (HRS). U ľudí a hlodavcov spôsobuje nedostatok génových produktov potrebných pre FGF počas meiózy neplodnosť.
Baktérietransformácia je proces prenosu génov, ktorý zvyčajne prebieha medzi jednotlivými bunkami toho istého druhu. Zahŕňa integráciu darcovskej DNA do chromozómu príjemcu prostredníctvom génovej rekombinácie. Tento proces je adaptáciou na opravu poškodených buniek. Transformácia môže byť prínosom pre patogénne baktérie tým, že umožňuje opravu poškodenia DNA, ku ktorému dochádza v zápalovom, oxidačnom prostredí spojenom s infekciou hostiteľa.
Keď dva alebo viac vírusov, z ktorých každý obsahuje smrteľné genómové poškodenie, infikuje tú istú hostiteľskú bunku, genómy sa môžu navzájom spáriť a prejsť cez FGP, aby vytvorili životaschopné potomstvo. Tento proces sa nazýva multiplicitná reaktivácia. Bol študovaný na niekoľkých patogénnych vírusoch.
Rekombinácia v prokaryotických bunkách
Prokaryotické bunky, podobne ako jednobunkové baktérie bez jadra, tiež podliehajú genetickej rekombinácii. V tomto prípade sú gény jednej baktérie zahrnuté do genómu inej baktérie krížením. Bakteriálna rekombinácia sa uskutočňuje procesmi konjugácie, transformácie alebo transdukcie.
Pri konjugácii je jedna baktéria spojená s druhou prostredníctvom proteínovej tubulárnej štruktúry. V procese transformácie prokaryoty odoberajú DNA z prostredia. Najčastejšie pochádzajú z mŕtvych buniek.
Pri transdukcii dochádza k výmene DNA prostredníctvom vírusu, ktorý infikuje baktérie známe ako bakteriofágy. Akonáhle je cudzia bunka internalizovaná prostredníctvom konjugácie, transformácie alebo transdukcie,baktéria môže vložiť svoje segmenty do vlastnej DNA. Tento prenos sa uskutočňuje krížením a vedie k vytvoreniu rekombinantnej bakteriálnej bunky.
