유전자 재조합 : 유형 및 메커니즘 - 생물학 - 2025

유전자 재조합 핵산 분자 단편의 새로운 분자를 생성 교환하는 과정이다. DNA에서 매우 흔하지 만 RNA는 또한 재조합을위한 기질입니다. 재조합은 돌연변이 후 유전 적 가변성의 가장 중요한 원천입니다.

DNA는 다양한 생화학 적 과정에 참여합니다. 복제하는 동안 두 개의 새로운 DNA 분자 생성을위한 템플릿 역할을합니다. 전사에서는 프로모터가 제어하는 ​​특정 영역에서 RNA 분자를 생성 할 수 있습니다.

DNA 재조합의 일반적인 단계. Wikimedia Commons를 통한 Juergen Bode

그러나 이것 외에도 DNA는 단편을 교환 할 수 있습니다. 이 과정을 통해 이전 두 과정의 산물이나 수정의 산물이 아닌 새로운 조합을 생성합니다.

모든 재조합 과정은 과정에 참여하는 DNA 분자의 파괴와 결합을 포함합니다. 이 메커니즘은 재조합 기질, 프로세스에 참여하는 효소 및 실행 메커니즘에 따라 다릅니다.

재조합은 일반적으로 재조합 분자 사이의 상보 적, 유사 (동일하지 않은 경우) 또는 상동 영역의 존재에 따라 달라집니다. 분자가 상동성에 의해 유도되지 않는 과정에서 재결합하는 경우, 재조합은 비상 동성이라고합니다.

상 동성이 두 분자 모두에 존재하는 매우 짧은 영역을 포함하는 경우 재조합은 부위 특이 적이라고합니다.

정의

재조합에서 상 동성이라고 부르는 것은 반드시 참여하는 분자의 진화 적 기원을 의미하는 것은 아닙니다. 오히려 우리는 뉴클레오타이드 서열의 유사성 정도에 대해 이야기하고 있습니다.

예를 들어, 비-복구 적 재조합은 감수 분열 과정 동안 진핵 생물에서 발생합니다. 의심 할 여지없이, 동일한 세포에서 염색체 쌍 사이보다 더 큰 상동 성은있을 수 없습니다.

그것이 그들이 상동 염색체라고 불리는 이유입니다. 그러나 세포의 DNA가 물질을 외부 DNA와 교환하는 경우가 있습니다. 이러한 DNA는 재결합과 매우 유사해야하지만이를 달성하기 위해 반드시 동일한 조상 (상 동성)을 공유 할 필요는 없습니다.

Chiasm 및 크로스 오버

두 DNA 분자 사이의 부착 및 교환 부위를 chiasm이라고하며 그 과정 자체를 가교 결합이라고합니다. 교차하는 동안 참여하는 DNA 간의 밴드 교환이 확인됩니다.

이것은 물리적으로 하나로 결합 된 두 개의 DNA 분자 인 공적분을 생성합니다. 공적 분체가 "분해"되면 두 분자가 생성되며 일반적으로 변경됩니다 (재조합).

재조합의 맥락에서 "해결"이란 공적 분체의 구성 요소 DNA 분자를 분리하는 것입니다.

유전자 재조합의 유형

-사이트 별 재조합

부위 특이 적 재조합에서 일반적으로 상 동성이 아닌 두 개의 DNA 분자는 둘 다에 공통적 인 짧은 서열을 가지고 있습니다. 이 서열은 특정 스 플라이 싱 효소의 표적입니다.

이 서열을 인식 할 수있는 효소는 다른 것이 아니라 인식 할 수 있으며, 두 분자의 특정 부위에서 절단합니다. 다른 요인의 도움으로 두 참여 분자의 DNA 밴드를 교환하고 공적분을 형성합니다.

대장균

이것이 대장균 (Escherichia coli)의 게놈과 박테리오파지 람다 (lambda)의 게놈 사이에 공적분 형성의 기초입니다. 박테리오파지는 박테리아를 감염시키는 바이러스입니다.

이 공적 분체의 형성은 바이러스 게놈에 암호화 된 효소 인 람다 인테그라 제에 의해 수행됩니다. 그것은 바이러스의 원형 게놈에서 attP라는 공통 서열을 인식하고 박테리아의 attB를 인식합니다.

두 분자에서 두 서열을 모두 절단하여 자유 세그먼트를 생성하고 밴드를 교환하며 두 게놈을 결합합니다. 그런 다음 더 크거나 통합 된 원이 형성됩니다.

공동 통합에서 바이러스 게놈은 박테리아 게놈에 의해 수동적으로 운반되어 복제됩니다. 이 상태에서는 바이러스가 프로 바이러스 상태이고 박테리아가이를 위해 용 균성이라고합니다.

반대 프로세스, 즉 공적분의 해상도는 여러 세대가 걸리거나 발생하지 않을 수도 있습니다. 그러나 이렇게하는 것은 excisionase라고하는 바이러스 게놈에 의해 암호화 된 다른 단백질에 의해 효소 적으로 매개됩니다. 이런 일이 발생하면 바이러스는 공적 분체에서 분리되어 재 활성화되어 세포 용해를 일으 킵니다.

-상 동성 재조합

일반화 된 재조합

상 동성 재조합은 완전하거나 거의 완전한 유사성의 적어도 약 40 개 뉴클레오티드를 공유하는 DNA 분자 사이에서 발생합니다. 재조합 과정을 수행하려면 적어도 하나의 엔도 뉴 클레아 제가 포함되어야합니다.

엔도 뉴 클레아 제는 DNA 내부를 절단하는 효소입니다. 일부는 DNA를 분해하기 위해 그렇게합니다. 재조합의 경우와 마찬가지로 다른 사람들은 DNA에 움푹 들어간 부분을 생성합니다.

이 독특한 닉은 자유 말단이있는 단일 밴드 DNA의 처리를 허용합니다. 재조합 효소에 의해 지향되는이 자유 말단은 단일 밴드가 이중 DNA를 침범하여 동일한 상주 밴드를 대체 할 수 있도록합니다.

이것은 기증자 ( "침략자") DNA 분자와 다른 수용체 사이의 교차점입니다.

대장균에서 침입 및 밴드 교환 과정을 수행하는 효소 (재조합 효소)를 RecA라고합니다. 고세균의 RadA와 같은 원핵 생물에는 다른 상동 단백질이 있습니다. 진핵 생물에서 동등한 효소를 RAD51이라고합니다.

침습성 밴드가 환자를 대체하면 기증자 분자에 단순하게 남겨진 밴드와 상호 작용합니다. 두 사이트 모두 리가 아제의 작용으로 봉인됩니다.

우리는 이제 기증자 DNA와 수혜자 DNA가 측면에있는 하이브리드 밴드 DNA (기증자 밴드와 수혜자 밴드가 다른 기원)를 가지고 있습니다. 교차점 (chiasmata)은 양방향으로 최소 200bp 이동합니다.

교차점의 각 지점은 할러데이 구조 (재조합 사건의 십자형 DNA 생성물)로 알려진 것을 형성합니다.

이 십자형 DNA는 다른 엔도 뉴 클레아 제에 의해 분해되어야합니다. 이 구조의 키메라 또는 하이브리드 DNA는 두 가지 방법으로 분해 될 수 있습니다. 두 번째 엔도 뉴클레오타이드 절단이 첫 번째와 동일한 밴드에서 발생하면 재조합이 발생하지 않습니다. 두 번째 절단이 다른 밴드에서 발생하면 결과물이 재조합됩니다.

할러데이 구조의 재조합 DNA. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Mao-4armjunction-schematic.png.

재조합 V (D) J

이것은 면역계 항체의 엄청난 가변성 생성에 기여하는 체세포 재조합 (감수 분열이 아님)의 한 유형입니다.

이 재조합은 그들을 정의하는 폴리펩티드 사슬을 코딩하는 유전자의 특정 단편에서 발생합니다. 그것은 B 세포에 의해 수행되며 다른 유전 영역을 포함합니다.

흥미롭게도 표면 항원의 가변성을 생성하기 위해 유사한 재조합 메커니즘을 사용하는 Trypanosoma brucei와 같은 기생충이 있습니다. 이런 식으로 숙주가 "새로운"항원을 인식 할 수있는 항체를 생성하지 못하면 숙주의 반응을 피할 수 있습니다.

재조합에 의해 생성 된 항체의 다양성. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Cambio_clase_recombinacion.PNG

-비상 동성 재조합

마지막으로, 참여 분자 서열의 유사성에 의존하지 않는 재조합 과정이 있습니다. 예를 들어, 진핵 생물에서는 상동하지 않은 말단의 재조합이 매우 중요합니다.

이것은 DNA에서 이중 밴드 파손을 보여주는 DNA 단편에서 발생합니다. 이들은 이중 밴드 브레이크를 사용하여 다른 조각에 결합하는 셀에 의해 "수리"됩니다.

그러나 이러한 분자는이 재조합 과정에 참여하기 위해 반드시 유사 할 필요는 없습니다. 즉, 손상을 복구함으로써 세포는 관련없는 DNA를 결합하여 정말 새로운 (재조합) 분자를 생성 할 수 있습니다.

재조합의 중요성

원인으로서의 중요성 : DNA 복제 및 복구

재조합은 복제 프로세스 중 및 복제 프로세스 후에 DNA 정보의 충실도를 보장합니다. 재조합은이 극도로 긴 거대 분자에서 새로운 밴딩 프로세스 동안 DNA 손상을 감지합니다.

각 밴드는 자체 정보와 보완적인 정보를 가지고 있기 때문에 재결합은 어떤 것도 손실되지 않음을 보장합니다. 각각은 서로에게 증인 역할을합니다. 마찬가지로 이배체 유기체에서 상동 염색체는 형제를 목격하며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.

반면에 DNA가 복제되면이 분자의 손상 복구 메커니즘이 다양합니다. 일부는 직접적이며 (손상이 직접적으로 작용 함) 다른 일부는 간접적입니다.

간접 복구 메커니즘은 발생하는 재조합에 의존합니다. 즉, DNA 분자의 손상을 복구하기 위해 다른 상동 분자가 사용됩니다. 이것은 손상을 입은 주형으로서 수복 재조합에서 작용할 것입니다.

그 결과 중요성 : 유전 적 가변성의 생성

재조합은 감수 분열 동안 엄청난 염색체 가변성을 생성 할 수 있습니다. 체세포 재조합은 척추 동물의 항체처럼 가변성을 생성합니다.

많은 유기체에서 감수 분열은 배우자입니다. 성적으로 번식하는 유기체에서 재조합은 가변성을 생성하는 가장 강력한 방법 중 하나로 밝혀졌습니다.

즉, 자발적인 돌연변이와 염색체 분리를 위해서는 배우자 가변성을 생성하는 또 다른 요소로 재조합이 추가되어야합니다.

반면에 부위 별 재조합에 의한 박테리오파지 게놈의 통합은 숙주 박테리아의 게놈 리모델링에 기여했습니다.

이것은이 중요한 생명체 그룹의 게놈 가변성과 진화에 기여했습니다.

재조합과 건강

우리는 이미 DNA가 복구 될 수 있다는 것을 보았지만 그것이 손상시키는 것은 아닙니다. 실제로 거의 모든 것이 DNA를 손상시킬 수 있으며, 수정되지 않은 잘못된 복제로 시작됩니다.

그러나 그 이상으로 DNA는 자외선, 전리 방사선, 세포 호흡으로 인한 자유 산소 라디칼 및 우리가 먹고, 담배를 피우고, 호흡하고, 섭취하거나, 만지는 것에 의해 손상 될 수 있습니다.

다행히도 DNA를 보호하기 위해 생명을 포기할 필요는 없습니다. 어떤 것은 포기해야하지만, 큰 일은 세포 자체에서 이루어집니다. DNA 손상과 그 복구를 탐지하는 이러한 메커니즘은 분명히 유전 적 근거와 그 결핍, 엄청난 결과를 가지고 있습니다.

상 동성 재조합의 결함과 관련된 질병에는 예를 들어 블룸 및 베르너 증후군, 가족 성 유방암 및 난소 암 등이 포함됩니다.

참고 문헌

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6 판). WW Norton & Company, 뉴욕, 뉴욕, 미국.
2. Bell, JC, Kowalczykowski, SC (2016) 역학 및 DNA 재조합의 단일 분자 심문. Annual Review of Biochemistry, 85 : 193-226.
3. Prado, F. () 상 동성 재조합 : Fork and Beyond. 유전자, doi : 10.3390 / genes9120603
4. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). 유전자 분석 소개 (11 판). 뉴욕 : WH Freeman, New York, NY, USA.
5. Tock, AJ, Henderson, IR (2018) 마이 오틱 재조합 개시를위한 핫스팟. 유전학의 개척자, doi : 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) A Prophages in Salmonella enterica : 박테리아 숙주의 게놈과 생리를 재 형성하는 원동력? 분자 미생물학, doi : 10.1111 / mmi. 14167.
7. Wright, WD, Shah, SS, Heyer, WD (2018) 동종 재조합 및 DNA 이중 가닥 파손 수리. 생화학 저널, 293 : 10524-10535