إعادة التركيب المتماثل: الوظائف والآليات والتطبيقات - مادة الاحياء - 2026

و إعادة التركيب مثلي هو عملية تنطوي على تبادل جزيئات DNA بين أقسام متشابهة أو متطابقة من الجينوم. تستخدم الخلايا إعادة التركيب المتماثل بشكل أساسي لإصلاح الفواصل في المادة الوراثية ، مما يؤدي إلى تباين وراثي في ​​السكان.

بشكل عام ، تتضمن إعادة التركيب المتماثل الاقتران المادي بين المناطق المتجانسة من المادة الجينية ، متبوعًا بكسر السلاسل التي ستخضع للتبادل ، وأخيراً اتحاد جزيئات الحمض النووي المدمجة الجديدة.

إعادة التركيب بين اثنين من الكروموسومات المتجانسة.

المصدر: Emw

يجب إصلاح الانكسارات في الحمض النووي بأسرع ما يمكن وبكفاءة. عندما لا يتم إصلاح الضرر ، يمكن أن تكون العواقب وخيمة وحتى مميتة. في البكتيريا ، تتمثل الوظيفة الرئيسية لإعادة التركيب المتماثل في إصلاح هذه الفواصل في المادة الوراثية.

يعتبر إعادة التركيب المتماثل إحدى الآليات الرئيسية التي تسمح باستقرار الجينوم. إنه موجود في جميع مجالات الحياة وحتى في الفيروسات ، لذلك يُفترض أنه آلية حيوية ظهرت في وقت مبكر جدًا في تطور الحياة.

منظور تاريخى

من أهم المبادئ التي اقترحها جريجور مندل الاستقلالية في الفصل بين الشخصيات. وفقًا لهذا القانون ، تنتقل الجينات المختلفة من الأب إلى الطفل بشكل مستقل.

ومع ذلك ، في عام 1900 كان وجود استثناءات ملحوظة للغاية لهذا المبدأ واضحًا. أظهر عالما الوراثة الإنجليزيان باتسون وبونيت أنه في كثير من الأحيان يتم توريث سمات معينة معًا ، وبالنسبة لهذه الصفات ، فإن المبدأ الذي ذكره مندل غير صالح.

نجح البحث اللاحق في توضيح وجود عملية إعادة التركيب ، حيث كانت الخلايا قادرة على تبادل المواد الجينية. في الحالات التي ورثت فيها الجينات معًا ، لا يتم تبادل الحمض النووي بسبب القرب المادي بين الجينات.

ما هو إعادة التركيب المتماثل؟

إعادة التركيب المتماثل هي ظاهرة خلوية تتضمن التبادل المادي لتسلسل الحمض النووي بين اثنين من الكروموسومات. تتضمن إعادة التركيب مجموعة من الجينات تعرف باسم جينات rec. هذه التعليمات البرمجية للأنزيمات المختلفة التي تشارك في العملية.

تعتبر جزيئات الحمض النووي "متجانسة" عندما تشترك في تسلسلات متشابهة أو متطابقة لأكثر من 100 زوج قاعدي. يحتوي الحمض النووي على مناطق صغيرة يمكن أن تختلف عن بعضها البعض ، وتعرف هذه المتغيرات بالأليلات.

في الكائنات الحية ، يعتبر كل الحمض النووي DNA مؤتلفًا. يحدث تبادل المواد الجينية بين الكروموسومات بشكل مستمر ، عن طريق خلط الجينات وإعادة ترتيبها على الكروموسومات.

من الواضح أن هذه العملية تحدث في الانقسام الاختزالي. على وجه التحديد في المرحلة التي تتزاوج فيها الكروموسومات في انقسام الخلية الأول. في هذه المرحلة ، يحدث تبادل المواد الجينية بين الكروموسومات.

من الناحية التاريخية ، تم تحديد هذه العملية في الأدبيات باستخدام عبور الكلمات الأنجلو سكسونية. هذا الحدث هو أحد نتائج إعادة التركيب المتماثل.

يعتمد تكرار العبور بين جينين من نفس الكروموسوم بشكل أساسي على المسافة الموجودة بينهما ؛ كلما كانت المسافة المادية بينهما أصغر ، قل معدل التبادل.

وظائف وعواقب إعادة التركيب المتماثل

تتعرض المواد الجينية باستمرار للضرر الناجم عن مصادر داخلية وخارجية ، مثل الإشعاع ، على سبيل المثال.

تشير التقديرات إلى أن الخلايا البشرية لديها عدد كبير من آفات الحمض النووي ، في حدود عشرات إلى مئات في اليوم. تحتاج هذه الآفات إلى الإصلاح لتجنب الطفرات الضارة المحتملة ، وكتل النسخ والنسخ ، والضرر على المستوى الكروموسومي.

من وجهة نظر طبية ، يؤدي تلف الحمض النووي الذي لم يتم إصلاحه بشكل صحيح إلى تطور الأورام والأمراض الأخرى.

إعادة التركيب المتماثل هو حدث يسمح بإصلاح الحمض النووي ، مما يسمح باستعادة التسلسلات المفقودة ، باستخدام الشريط الآخر (المتماثل) من الحمض النووي كقالب.

هذه العملية الأيضية موجودة في جميع أشكال الحياة ، وتوفر آلية عالية الدقة تسمح بإصلاح "الفجوات" في الحمض النووي ، والفواصل مزدوجة الشريطة والصلات المتقاطعة بين خيوط الحمض النووي.

واحدة من أهم نتائج إعادة التركيب هي توليد تنوع جيني جديد. إلى جانب الطفرات ، هما العمليتان اللتان تولدان تباينًا في الكائنات الحية - تذكر أن الاختلاف هو المادة الخام للتطور.

بالإضافة إلى ذلك ، يوفر آلية لإعادة تعيين تفرع النسخ المتماثل التي تعرضت للتلف.

في البكتيريا

في البكتيريا ، هناك أحداث متكررة لنقل الجينات الأفقية. يتم تصنيفها على أنها اقتران وتحويل وتوصيل. هنا ، بدائيات النوى تأخذ الحمض النووي من كائن حي آخر ، وحتى من أنواع مختلفة.

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

آلية

يبدأ التأشيب المتماثل مع كسر أحد خيوط جزيء الحمض النووي الصبغي. بعد ذلك ، تحدث سلسلة من الخطوات التي يتم تحفيزها بواسطة إنزيمات متعددة.

يتم غزو الطرف الثالث حيث يحدث القطع بواسطة خيط مزدوج متماثل من الحمض النووي. عملية الغزو حاسمة. نعني بعبارة "السلسلة المتجانسة" أجزاء الكروموسومات التي لها نفس الجينات بترتيب خطي ، على الرغم من أن متواليات النيوكليوتيدات لا يجب أن تكون متطابقة.

تشابك عصبى

هذا الغزو للحبل يضع الكروموسومات المتجانسة في مواجهة بعضها البعض. تسمى ظاهرة خيوط الاجتماع هذه المشبك (يجب عدم الخلط بينه وبين المشبك في الخلايا العصبية ، وهنا يستخدم المصطلح مع معنى آخر).

لا يعني المشبك بالضرورة وجود اتصال مباشر بين كلا التسلسل المتماثل ، يمكن للحمض النووي أن يستمر في التحرك لفترة حتى يجد الجزء المتماثل. تسمى عملية البحث هذه بالمحاذاة المتجانسة.

تشكيل D- حلقة

بعد ذلك ، يقع حدث يسمى "غزو حبلا". الكروموسوم هو حلزون مزدوج من الحمض النووي. في إعادة التركيب المتماثل ، يبحث اثنان من الكروموسومات عن تسلسلهما المتماثل. في إحدى الحلزونات ، تنفصل الخيوط و "يغزو" هذا الخيط هيكل اللولب المزدوج ، مشكلاً بنية تسمى الحلقة D.

تم تهجير حبلا D-loop من خلال غزو الخيط المكسور والأزواج مع الخيط التكميلي للحلزون المزدوج الأصلي.

تشكيل تقاطع هوليداي

الخطوة التالية هي تشكيل نقابات هوليداي. هنا ، يتم ربط أطراف الخيوط المتبادلة معًا. هذا الاتحاد لديه القدرة على التحرك في أي اتجاه. يمكن أن ينكسر المفصل ويتشكل عدة مرات.

العملية النهائية لإعادة التركيب هي حل هذه النقابات وهناك طريقتان أو طريقتان تحقق الخلية من خلاله ذلك. واحد منهم هو انقسام الاتحاد أو عن طريق عملية تسمى الانحلال ، نموذجية للكائنات حقيقية النواة.

في الآلية الأولى ، يؤدي كسر تقاطع هوليداي إلى تجديد سلسلتين. في حالة "الانحلال" الأخرى ، يحدث نوع من الانهيار في الاتحاد.

تشارك البروتينات

يُطلق على البروتين الأساسي في عملية إعادة التركيب اسم Rad51 في الخلايا حقيقية النواة ، و RecA في Escherichia coli. وهو يعمل في مراحل مختلفة من إعادة التركيب: قبل وأثناء وبعد المشبك.

يسهل بروتين Rad51 تكوين الاتصال المادي بين الحمض النووي الغازي والحمض النووي المخفف. في هذه العملية يتم إنشاء الحمض النووي متغاير التضاعف.

تحفز Rad51 ونظيرتها RecA البحث عن الحمض النووي المتماثل وتبادل خيوط الحمض النووي. تتمتع هذه البروتينات بالقدرة على الارتباط التعاوني بالحمض النووي أحادي النطاق.

هناك أيضًا جينات مشابه (نشأت من أحداث تكرار الجينات في سلالة من الكائنات الحية) لـ Rad51 ، تسمى Rad55 و Rad57. في البشر ، تم تحديد خمسة جينات بارالوجية Rad51 تسمى Rad51B و Rad51C و Rad51D و Xrcc2 و Xrcc3.

الحالات الشاذة المرتبطة بعمليات إعادة التركيب

نظرًا لأن إعادة التركيب يتطلب ارتباطًا ماديًا بالكروموسومات ، فهي خطوة حاسمة في الفصل المناسب أثناء الانقسام الاختزالي. إذا لم يحدث إعادة التركيب المناسب ، يمكن أن تكون النتيجة أمراضًا رئيسية.

يعد عدم ارتباط الكروموسومات أو حدوث أخطاء في الفصل من أكثر أسباب الإجهاض والتشوهات الصبغية شيوعًا ، مثل التثلث الصبغي للكروموسوم 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 في جميع أنحاء الجينوم تكون عرضة للتقاطع غير المتكافئ.

ينتج عن هذا التهجين سمات مختلفة ذات صلة سريريًا ، بما في ذلك الأمراض الشائعة مثل الثلاسيميا والتوحد.

تطبيقات إعادة التركيب

استفاد علماء الأحياء الجزيئية من معرفة آلية إعادة التركيب المتماثل لإنشاء تقنيات مختلفة. واحد من هذه يسمح بإنشاء كائنات "بالضربة القاضية".

هذه الكائنات المعدلة وراثيا تجعل من الممكن توضيح وظيفة الجين محل الاهتمام.

تتمثل إحدى المنهجيات المستخدمة لإنشاء الضربات القاضية في قمع التعبير عن الجين المحدد عن طريق استبدال الجين الأصلي بنسخة معدلة أو "تالفة". يتم استبدال الجين بالنسخة المحورة عن طريق إعادة التركيب المتماثل.

أنواع أخرى من إعادة التركيب

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

عندما تكون مناطق الحمض النووي التي تتبادل المواد غير أليلية (كروموسومات متجانسة) تكون النتيجة ازدواجية أو اختزال للجينات. تُعرف هذه العملية بإعادة التركيب غير المتماثل أو إعادة التركيب غير المتكافئ.

معًا ، يمكن أيضًا تبادل المادة الوراثية بين الكروماتيدات الشقيقة على نفس الكروموسوم. تحدث هذه العملية في كل من الانقسام الانتصافي والانقسام ، وتسمى التبادل غير المتكافئ.

المراجع

1. Baker، TA، Watson، JD، & Bell، SP (2003). البيولوجيا الجزيئية للجين. شركة بنيامين كامينغز للنشر.
2. ديفلين ، TM (2004). الكيمياء الحيوية: كتاب مدرسي مع التطبيقات السريرية. أنا عكس.
3. Jasin، M.، & Rothstein، R. (2013). إصلاح الكسور عن طريق إعادة التركيب المتماثل. وجهات نظر كولد سبرينج هاربور في علم الأحياء ، 5 (11) ، a012740.
4. Li ، X. ، & Heyer ، WD (2008). إعادة التركيب المتماثل في إصلاح الحمض النووي وتحمل تلف الحمض النووي. أبحاث الخلايا، 18 (1) ، 99-113.
5. Murray ، PR ، Rosenthal ، KS ، & Pfaller ، MA (2017). علم الأحياء الدقيقة الطبية. العلوم الصحية Elsevier.
6. Nussbaum، RL، McInnes، RR، & Willard، HF (2015). Thompson & Thompson في علم الوراثة في الطب الكتاب الإلكتروني. العلوم الصحية Elsevier.
7. Virgili، RO، & Taboada، JMV (2006). الجينوم البشري: تطورات جديدة في البحث والتشخيص والعلاج. طبعات جامعة برشلونة.