Przeczytaj
Rekombinację genetyczną definiuje się jako proces wymiany materiału genetycznego, prowadzący do powstania nowych genotypów w obrębie danego gatunku. Rekombinacja jest procesem kluczowym dla ewolucji organizmów w trakcie historii istnienia życia na Ziemi. Można wręcz stwierdzić, że jest ona siłą napędową ewolucji, ponieważ prowadzi do powstawania bioróżnorodności, nowych kombinacji genów, a tym samym do nabywania nowych właściwości przez organizmy.
Procesy rekombinacji występujące w przyrodzie
Naturalna rekombinacja DNA zachodzi zawsze podczas produkcji komórek rozrodczych w trakcie mejozy. Warunkuje ją proces crossing‑overcrossing‑over, w trakcie którego chromosomy homologiczne wymieniają się fragmentami chromatyd. Również losowe łączenie się gamet podczas zapłodnienia prowadzi do zmienności genetycznej potomstwa.
U bakterii występują dodatkowe mechanizmy rekombinacji DNA. W ich genomie istnieją ruchome sekwencje, tzw. transpozonytranspozony, które mogą się przemieszczać w obrębie genomu, prowadząc do jego rearanżacji. Dodatkowo bakterie mają zdolność wymieniania materiału genetycznego między różnymi komórkami, m.in. za pomocą procesów transdukcjitransdukcji i transformacjitransformacji. Wszystkie te procesy prowadzą do powstania zmienionych genotypów.
Podstawowe typy rekombinacji
Naukowcy wyróżnili cztery typy rekombinacji DNA:
rekombinacja homologiczna (uprawniona);
rekombinacja zlokalizowana (umiejscowiona);
konwersja genów;
rekombinacja niehomologiczna.
Rekombinacja homologiczna stanowi podstawę do naprawy uszkodzonego DNA. Zachodzi u diploidalnychdiploidalnych organizmów między fragmentami DNA o wysokiej homologii (czyli podobieństwie sekwencji) i wymaga obecności szeregu enzymów. Proces ten jest bardzo ważny, jeśli w wyniku mutacji doszło do uszkodzenia obu nici fragmentu DNA, w wyniku czego komórka nie jest w stanie ich odtworzyć, korzystając z zasady komplementarności. Musi wtedy skorzystać z informacji zawartych w innej cząsteczce DNA o wysokiej homologii do uszkodzonego fragmentu. W wyniku rekombinacji powstaje matryca do uzupełnienia ubytku DNA i odtworzenia uszkodzonego fragmentu.
Rekombinacja zlokalizowana jest specyficzna dla danego miejsca, wymaga jedynie krótkich odcinków DNA o wysokiej homologii. Ten typ rekombinacji występuje np. między niektórymi bakteriofagami i infekowanymi przez nie komórkami bakterii. Krótki odcinek DNA faga, homologiczny do DNA bakterii, pozwala na włączenie sekwencji faga do materiału genetycznego bakterii. Dzięki temu DNA faga podlega procesom replikacjireplikacji, transdukcji i translacjitranslacji wraz z materiałem bakterii. Za rozpoznawanie homologicznych fragmentów odpowiedzialne są specjalne białka.
Konwersja genów polega na przekształceniu jednego allelu danego genu w drugi w wyniku zmiany sekwencji. Zachodzi podczas naprawy uszkodzonego DNA (zawierającego niedopasowane sekwencje po rekombinacji). Podczas jego naprawy niedopasowane sekwencje zostają dopasowane, jednak często dochodzi do utraty informacji jednej z nici.
Rekombinacja niehomologiczna występuje między niespokrewnionymi (niehomologicznymi) sekwencjami w wyniku działania enzymów rozcinających, a następnie łączących dwie różne sekwencje. W jej wyniku może dojść do wymieniania fragmentów chromatyd między chromosomami niehomologicznymi.
Rekombinacja DNA w inżynierii genetycznej
Metody inżynierii genetycznej pozwalają tworzyć zrekombinowany DNA w celu uzyskania komórek o jakichś konkretnych właściwościach. Najczęściej procesom rekombinacji poddaje się komórki bakterii, a zwłaszcza plazmidy w nich obecne (czyli koliste fragmenty DNA, niezależne od chromosomu bakteryjnego).
Do przeprowadzenia rekombinacji wykorzystuje się enzymy restrykcyjne (restryktazy). Enzymy te występują naturalnie w komórkach bakterii, a ich zadaniem jest cięcie obcego DNA, dostającego się do komórki. Każdy enzym rozpoznaje charakterystyczną sekwencję DNA, którą rozcina w określonym miejscu. Znając sekwencje rozpoznawane przez te enzymy, naukowcy mogą precyzyjnie zaplanować miejsce rozcinania DNA. Następnie do rozciętego fragmentu dodany zostaje fragment DNA niosący informacje o konkretnych cechach organizmu. Zastosowanie enzymu ligazy pozwala skleić oba fragmenty ze sobą i uzyskać zrekombinowany materiał genetyczny.
Dzięki temu procesowi do komórek można wprowadzić różne geny, korzystne z punktu widzenia człowieka. Zrekombinowane komórki bakterii mogą być stosowane na przykład do produkcji antybiotyków, oczyszczania ścieków, rekultywacji gleb oraz wielu innych procesów biotechnologicznych.
Słownik
proces polegający na wzajemnej wymianie odpowiadających sobie odcinków chromatyd chromosomów homologicznych. Rezultatem crossing‑over jest przetasowanie genów pochodzenia matczynego i ojcowskiego, prowadzące do powstania nowych, przypadkowych kombinacji alleli w ramach jednego chromosomu. Crossing‑over zachodzi w profazie I mejozy
obecność w jądrze komórkowym dwóch zestawów chromosomów
proces biosyntezy DNA, w którego wyniku z jednej dwuniciowej cząsteczki DNA powstają dwie dwuniciowe cząsteczki DNA identyczne pod względem sekwencji nukleotydów
przenoszenie materiału dziedzicznego bakterii za pośrednictwem bakteriofagów
aktywne pobieranie wolnego DNA z otoczenia przez komórki bakterii
drugi etap biosyntezy białka, podczas którego, na podstawie informacji zapisanej w nici mRNA, syntetyzowany jest polipeptyd
tzw. „skaczące geny”; ruchome odcinki DNA, które potrafią się samodzielnie przemieszczać w obrębie genomu gospodarza