إعادة التركيب الجيني: الأنواع والآليات - مادة الاحياء - 2025

و إعادة التركيب الجيني هو العملية التي من خلالها تبادل جزيئات من شظايا الحمض النووي توليد جزيء جديد. إنه شائع جدًا في الحمض النووي ، لكن الحمض النووي الريبي هو أيضًا ركيزة لإعادة التركيب. إعادة التركيب ، بعد الطفرة ، هو أهم مصدر لتوليد التنوع الجيني.

يشارك DNA في عمليات كيميائية حيوية مختلفة. أثناء التكرار ، يعمل كقالب لتوليد جزيئين جديدين من الحمض النووي. في النسخ ، فإنه يجعل من الممكن توليد جزيئات الحمض النووي الريبي من مناطق معينة يتحكم فيها المروج.

الخطوات العامة لإعادة تركيب الحمض النووي. يورجن بودي ، عبر ويكيميديا ​​كومنز

ولكن بالإضافة إلى ذلك ، فإن الحمض النووي قادر أيضًا على تبادل الأجزاء. من خلال هذه العملية تولد مجموعات جديدة ليست نتاج العمليتين السابقتين ، ولا من الإخصاب.

تتضمن جميع عمليات إعادة التركيب تكسير جزيئات الحمض النووي التي تشارك في العملية والانضمام إليها. تختلف هذه الآلية اعتمادًا على ركيزة إعادة التركيب والإنزيمات التي تشارك في العملية وآلية تنفيذها.

تعتمد إعادة التركيب عمومًا على وجود مناطق تكميلية متشابهة (إن لم تكن متطابقة) أو متجانسة بين جزيئات إعادة التركيب. في حالة إعادة اتحاد الجزيئات في عمليات لا تسترشد بالتماثل ، يُقال إن إعادة التركيب غير متماثل.

إذا كان التناظر يتضمن منطقة قصيرة جدًا موجودة في كلا الجزيئين ، فيقال إن إعادة التركيب تكون خاصة بالموقع.

تعريف

ما نسميه التماثل في إعادة التركيب لا يشير بالضرورة إلى الأصل التطوري للجزيئات المشاركة. بدلاً من ذلك ، نحن نتحدث عن درجة التشابه في تسلسل النيوكليوتيدات.

يحدث إعادة التركيب غير التعويضي ، على سبيل المثال ، في حقيقيات النوى أثناء عملية الانقسام الاختزالي. لا شك أنه لا يمكن أن يكون هناك تماثل أكبر من بين أزواج من الكروموسومات في نفس الخلية.

هذا هو سبب تسميتها بالكروموسومات المتجانسة. ومع ذلك ، هناك حالات يقوم فيها الحمض النووي للخلية بتبادل المواد مع الحمض النووي الأجنبي. يجب أن تكون هذه الحمض النووي متشابهة جدًا مع إعادة الاتحاد ، لكن ليس بالضرورة أن تشترك في نفس السلف (التنادد) لتحقيق ذلك.

شياسم وكروس

يُطلق على موقع الارتباط والتبادل بين جزيئين من الحمض النووي اسم chiasm ، وتسمى العملية نفسها التشابك. أثناء التقاطع ، يتم التحقق من تبادل النطاق بين الحمض النووي المشاركين.

ينتج عن هذا تكامل مشترك ، وهما جزيئان من الحمض النووي متحدان جسديًا في واحد. عندما "يحل" التكامل المشترك ، يتم تكوين جزيئين ، يتغيران بشكل عام (المؤتلف).

"الحل" ، في سياق إعادة التركيب ، هو فصل جزيئات الدنا المكونة للاندماج المشترك.

أنواع إعادة التركيب الجيني

- إعادة التركيب الخاصة بالموقع

في إعادة التركيب الخاصة بالموقع ، يكون لجزيئين من الحمض النووي ، غير متماثلين عمومًا ، تسلسل قصير مشترك لكليهما. هذا التسلسل هو هدف إنزيم تضفير محدد.

إن الإنزيم ، القادر على التعرف على هذا التسلسل وليس تسلسل آخر ، يقطعه في موقع معين في كلا الجزيئين. بمساعدة بعض العوامل الأخرى ، تقوم بتبديل نطاقات الحمض النووي للجزيئين المشاركين وتشكيل تكامل مشترك.

الإشريكية القولونية

هذا هو الأساس لتكوين الاندماج المشترك بين جينوم بكتيريا Escherichia coli وجين البكتيريا lambda. العاثية هي فيروس يصيب البكتيريا.

يتم تكوين هذا الاندماج المشترك بواسطة إنزيم مشفر في جينوم الفيروس: lambda Integrase. يتعرف على تسلسل مشترك يسمى attP في الجينوم الدائري للفيروس ، و attB في تلك البكتيريا.

عن طريق قطع كلا التسلسلين في كلا الجزيئين ، فإنه يولد مقاطع مجانية ، ويتبادل العصابات وينضم إلى الجينومين. ثم يتم تشكيل دائرة أكبر أو متكاملة.

في حالة الاندماج المشترك ، يحمل الجينوم البكتيري جينوم الفيروس بشكل سلبي ، والذي يتكاثر به. في هذه الحالة يقال أن الفيروس في حالة طليعة الفيروس ، وأن البكتيريا غير مولدة له.

يمكن أن تستغرق العملية العكسية ، أي حل التكامل المشترك ، عدة أجيال - أو حتى لا تحدث. ومع ذلك ، يتم التوسط الإنزيمي لبروتين آخر مشفر بواسطة جينوم الفيروس يسمى Excisionase. عندما يحدث هذا ، ينفصل الفيروس عن التكامل المشترك ويعيد تنشيطه ويسبب تحلل الخلية.

- إعادة التركيب المتماثل

إعادة التركيب المعمم

يحدث إعادة التركيب المتماثل بين جزيئات الحمض النووي التي تشترك على الأقل في حوالي 40 نيوكليوتيد من التشابه الكامل أو شبه الكامل. من أجل تنفيذ عملية إعادة التركيب ، يجب إشراك نوكلياز داخلي واحد على الأقل.

نوكليازات داخلية هي إنزيمات تقوم بعمل جروح داخلية في الحمض النووي. البعض يفعل ذلك للشروع في تدهور الحمض النووي. آخرون ، كما في حالة إعادة التركيب ، يفعلون ذلك لتوليد انحراف في الحمض النووي.

يسمح هذا النك الفريد بمعالجة DNA أحادي النطاق بنهاية حرة. هذه النهاية الحرة ، الموجهة بواسطة recombinase ، تسمح لفرقة واحدة بغزو الحمض النووي المزدوج ، مما يؤدي إلى إزاحة النطاق المقيمة المماثلة له.

هذه هي نقطة العبور بين جزيء DNA المانح ("الغازي") ومستقبل آخر.

يسمى الإنزيم (recombinase) الذي ينفذ عملية الغزو وتبادل الشريط في الإشريكية القولونية RecA. هناك بروتينات متماثلة أخرى في بدائيات النوى ، مثل RadA في العتائق. في حقيقيات النوى يسمى الإنزيم المكافئ RAD51.

بمجرد أن تزيح الفرقة الغازية الشخص المقيم ، فإنها تتفاعل مع النطاق الذي تم تركه بسيطًا في الجزيء المانح. يتم إغلاق كلا الموقعين بفعل الليجاس.

لدينا الآن DNA هجين للنطاق (عصابة مانحة وشريط متلقي ، من أصول مختلفة) محاطًا بالحمض النووي للمانح والحمض النووي للمتلقي. تتحرك نقاط التقاطع (chiasmata) في كلا الاتجاهين بمقدار 200 نقطة أساس على الأقل.

تشكل كل نقطة تقاطع ما يُعرف باسم هيكل هوليداي (منتج DNA صليبي لحدث إعادة التركيب).

يجب حل هذا الحمض النووي الصليبي بواسطة نوكليازات داخلية أخرى. يمكن حل الحمض النووي الوراثي أو الهجين لهذا الهيكل بطريقتين. إذا حدث قطع النيوكليوتيد الثاني في نفس النطاق مثل الأول ، فلن يحدث أي إعادة تركيب. إذا حدث القطع الثاني في النطاق الآخر ، فإن المنتجات الناتجة تكون مترابطة.

الحمض النووي المؤتلف في هيكل هوليداي. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Mao-4armjunction-schematic.png.

إعادة التركيب V (D) J

هذا هو نوع من إعادة التركيب الجسدي (وليس الانتصافي) الذي يساهم في توليد التباين الهائل للأجسام المضادة في جهاز المناعة.

تحدث عملية إعادة التركيب هذه في أجزاء معينة من الجينات التي ترمز إلى سلاسل البولي ببتيد التي تحددها. يتم تنفيذه بواسطة الخلايا البائية ويشمل مناطق وراثية مختلفة.

ومن المثير للاهتمام ، أن هناك طفيليات مثل المثقبية البروسية التي تستخدم آلية إعادة تركيب مماثلة لخلق تغير في مستضد سطحي. وبهذه الطريقة ، يمكنهم تجنب استجابة المضيف إذا فشل المضيف في تكوين الجسم المضاد القادر على التعرف على المستضد "الجديد".

تنوع الأجسام المضادة الناتجة عن إعادة التركيب. es.m.wikipedia.org/wiki/ الملف: Cambio_clase_recombinacion.PNG

- إعادة التركيب غير المتماثل

أخيرًا ، هناك عمليات إعادة تركيب لا تعتمد على التشابه في تسلسل الجزيئات المشاركة. في حقيقيات النوى ، على سبيل المثال ، يعد إعادة تركيب النهايات غير المتجانسة أمرًا مهمًا للغاية.

يحدث هذا مع شظايا الحمض النووي التي تظهر فواصل مزدوجة في الحمض النووي. يتم "إصلاح" هذه بواسطة الخلية التي تربطها بأجزاء أخرى أيضًا بفواصل شريطية مزدوجة.

ومع ذلك ، لا يجب بالضرورة أن تكون هذه الجزيئات متشابهة للمشاركة في عملية إعادة التركيب هذه. أي ، من خلال إصلاح الضرر ، يمكن للخلية أن تنضم إلى DNA غير ذي صلة ، وبالتالي تخلق جزيءًا جديدًا (مؤلفًا).

أهمية إعادة التركيب

الأهمية كسبب: تكرار الحمض النووي وإصلاحه

يضمن إعادة التركيب دقة معلومات الحمض النووي أثناء وبعد عملية النسخ المتماثل. تكتشف إعادة التركيب تلف الحمض النووي أثناء عملية الربط الجديدة في هذا الجزيء الضخم الطويل للغاية.

نظرًا لأن كل فرقة لها معلوماتها الخاصة ، والمعلومات المكملة لها ، فإن إعادة التركيب تضمن عدم فقد أي منها. يعمل كل منهما كشاهد للآخر. وبالمثل ، في الكائنات ثنائية الصبغيات ، يشهد الكروموسوم المتماثل أخته والعكس صحيح.

من ناحية أخرى ، بمجرد نسخ الحمض النووي ، تتنوع آليات إصلاح الضرر لهذا الجزيء. بعضها مباشر (يتم التصرف بناءً على الإصابة مباشرة) والبعض الآخر غير مباشر.

تعتمد آليات الإصلاح غير المباشر على حدوث إعادة التركيب. أي لإصلاح الضرر في جزيء DNA ، يتم استخدام جزيء متماثل آخر. هذا من شأنه أن يعمل في إعادة التركيب التعويضي كقالب تعرض للضرر منه.

الأهمية كنتيجة: توليد التنوع الجيني

إعادة التركيب قادرة على خلق تغيرات كروموسومية هائلة أثناء الانقسام الاختزالي. ينتج عن إعادة التركيب الجسدي أيضًا تغيرات ، كما في حالة الأجسام المضادة في الفقاريات.

في العديد من الكائنات الحية يكون الانقسام الاختزالي مشيجيًا. في الكائنات الحية التي تتكاثر جنسيًا ، يتبين أن إعادة التركيب من أقوى الطرق لتوليد التباين.

وهذا يعني ، إلى الطفرة التلقائية والفصل الكروموسومي ، يجب إضافة إعادة التركيب كعنصر آخر يولد التباين المشيجي.

من ناحية أخرى ، ساهم تكامل جينومات العاثيات عن طريق إعادة التركيب الخاصة بالموقع في إعادة تشكيل جينوم البكتيريا المضيفة.

وقد ساهم هذا في توليد التباين الجيني والتطور لهذه المجموعة المهمة من الكائنات الحية.

إعادة التركيب والصحة

لقد رأينا بالفعل أنه يمكن إصلاح الحمض النووي ، ولكن ليس ما يضر به. في الواقع ، يمكن لأي شيء تقريبًا أن يدمر الحمض النووي ، بدءًا من النسخ الخاطئ الذي لا يتم تصحيحه.

ولكن أبعد من ذلك ، يمكن أن يتلف الحمض النووي بسبب الأشعة فوق البنفسجية ، والإشعاع المؤين ، وجذور الأكسجين الحرة الناتجة عن التنفس الخلوي ، وما نأكله ، أو ندخن ، أو نتنفس ، أو نبتلع ، أو نلمس.

لحسن الحظ ، ليس عليك التخلي عن الحياة لحماية الحمض النووي. يجب التخلي عن أشياء معينة ، لكن العمل الكبير تقوم به الخلية نفسها. من الواضح أن هذه الآليات لكشف الضرر الذي يلحق بالحمض النووي وإصلاحه لها أساس وراثي ، ونقصها عواقب وخيمة.

تشمل الأمراض المتعلقة بعيوب إعادة التركيب المتماثل ، على سبيل المثال ، متلازمات بلوم وفيرنر ، والسرطان العائلي للثدي والمبيض ، وما إلى ذلك.

المراجع

1. ألبرتس ، ب ، جونسون ، أ.د ، لويس ، ج. ، مورغان ، د. ، راف ، إم ، روبرتس ، ك. ، والتر ، ب. (2014) البيولوجيا الجزيئية للخلية (الإصدار السادس). دبليو دبليو نورتون وشركاه ، نيويورك ، نيويورك ، الولايات المتحدة الأمريكية.
2. Bell ، JC ، Kowalczykowski ، SC (2016) الميكانيكا والاستجواب أحادي الجزيء لإعادة تركيب الحمض النووي. المراجعة السنوية للكيمياء الحيوية ، 85: 193-226.
3. برادو ، ف. () إعادة التركيب المتماثل: To Fork and Beyond. الجينات ، دوى: 10.3390 / genes9120603
4. Griffiths، AJF، Wessler، R.، Carroll، SB، Doebley، J. (2015). مقدمة في التحليل الجيني (الطبعة 11). نيويورك: دبليو إتش فريمان ، نيويورك ، نيويورك ، الولايات المتحدة الأمريكية.
5. Tock ، AJ ، Henderson ، IR (2018) النقاط الساخنة لبدء إعادة التركيب العضلي. الحدود في علم الوراثة ، دوى: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Wahl، A.، Battesti، A.، Ansaldi، M. (2018) A Prophages in Salmonella enterica: قوة دافعة في إعادة تشكيل الجينوم وعلم وظائف الأعضاء للمضيف البكتيري؟ علم الأحياء الدقيقة الجزيئي ، دوى: 10.1111 / مم 14167.
7. Wright، WD، Shah، SS، Heyer، WD (2018) إعادة التركيب المتماثل وإصلاح فواصل الحمض النووي المزدوجة. مجلة الكيمياء البيولوجية ، 293: 10524-10535