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.

Naturalna rekombinacja DNA zachodzi zawsze podczas produkcji komórek rozrodczych w trakcie mejozy. Warunkuje ją proces crossing‑overcrossing‑overcrossing‑over, w trakcie którego chromosomy homologiczne wymieniają się fragmentami chromatyd. Również losowe łączenie się gamet podczas zapłodnienia prowadzi do zmienności genetycznej potomstwa.

R1P6mbu1KkPMK

Na schemacie zobrazowany jest proces pojedynczego crossing‑over. Na pierwszej ilustracji z lewej widoczne są chromatydy w kształcie litery H w kolorze niebieskim i zielonym. Pod niebieską chromatydą znajdują się dwie duże litery A, a pod zieloną chromatydą dwie małe litery a. Prowadzi od nich strzałka do kolejnej ilustracji, na której wewnętrzne ramiona chromatyd są skrzyżowane ze sobą. Strzałka prowadzi do kolejnej ilustracji, na której wewnętrzne ramiona chromatyd w dolnej części mają zmienione kolory – ramię zielonej chromatydy w dolnej części ma kolor niebieski, a ramię niebieskiej chromatydy w dolnej części ma kolor zielony. Pod nimi znajdują się dwie takie same litery – duże A i małe a.

U bakterii występują dodatkowe mechanizmy rekombinacji DNA. W ich genomie istnieją ruchome sekwencje, tzw. transpozonytranspozonytranspozony, 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 transdukcjitransdukcjatransdukcji i transformacjitransformacjatransformacji. Wszystkie te procesy prowadzą do powstania zmienionych genotypów.

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 diploidalnychdiploidalnośćdiploidalnych 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 replikacjireplikacja DNAreplikacji, transdukcji i translacjitranslacjatranslacji 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.

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.

RyI7oUNbpJNsG

Ilustracja przedstawia mężczyznę ustawionego profilem do obiektywu. Ma na głowie czepek flizelinowy i okulary, a na twarzy maseczkę chirurgiczną. Ubrany jest w biały fartuch flizelinowy. Na prawej ręce ma zegarek, w dłoni trzyma cienką strzykawkę z igłą, którą wbija w ramię osoby siedzącej przed nim.

Słownik