상동 재조합 : 기능, 메커니즘 및 응용 - 생물학 - 2025

상동 재조합 게놈 유사하거나 동일한 부분 사이 DNA 분자의 교환을 포함하는 방법이다. 세포는 주로 유전 물질의 파손을 복구하기 위해 상 동성 재조합을 사용하여 집단의 유전 적 변이를 생성합니다.

일반적으로 상 동성 재조합은 유전 물질의 상 동성 영역 사이의 물리적 짝짓기, 교환을 겪게 될 사슬의 파괴, 마지막으로 새로운 결합 DNA 분자의 결합을 포함합니다.

두 개의 상동 염색체 사이의 재조합.
출처 : Emw

DNA 손상은 가능한 한 빠르고 효율적으로 복구해야합니다. 손상이 복구되지 않으면 그 결과는 심각하고 치명적일 수 있습니다. 박테리아에서 상 동성 재조합의 주요 기능은 유전 물질의 이러한 파손을 복구하는 것입니다.

상 동성 재조합은 게놈의 안정성을 허용하는 주요 메커니즘 중 하나로 간주됩니다. 그것은 생명의 모든 영역과 심지어 바이러스에도 존재하기 때문에 아마도 생명의 진화 초기에 나타난 중요한 메커니즘 일 것입니다.

역사적 관점

Gregor Mendel이 제안한 가장 관련성이 높은 원칙 중 하나는 인물 분리의 독립성입니다. 이 법에 따르면 다른 유전자는 부모에서 자식으로 독립적으로 전달됩니다.

그러나 1900 년에이 원칙에 대한 매우 뚜렷한 예외가 존재 함이 분명했습니다. 영국 유전 학자 Bateson과 Punnett는 특정 특성이 여러 번 함께 유전되며 이러한 특성에 대해 Mendel이 선언 한 원칙은 타당성이 없음을 보여주었습니다.

후속 연구는 세포가 유전 물질을 교환 할 수있는 재조합 과정의 존재를 밝히는 데 성공했습니다. 유전자가 함께 유전되는 경우에는 유전자 간의 물리적 친밀 성으로 인해 DNA가 교환되지 않았다.

상동 재조합이란 무엇입니까?

상 동성 재조합은 두 염색체 사이의 DNA 서열의 물리적 교환을 포함하는 세포 현상입니다. 재조합은 rec 유전자로 알려진 일련의 유전자를 포함합니다. 이 과정에 참여하는 다양한 효소에 대한 코드입니다.

DNA 분자는 100 개 이상의 염기쌍의 유사하거나 동일한 서열을 공유 할 때 "상동"으로 간주됩니다. DNA는 서로 다를 수있는 작은 영역을 가지고 있으며 이러한 변이를 대립 유전자라고합니다.

생명체에서 모든 DNA는 재조합 DNA로 간주됩니다. 염색체 간의 유전 물질 교환은 연속적으로 발생하여 염색체의 유전자를 혼합하고 재배치합니다.

이 과정은 분명히 감수 분열에서 발생합니다. 특히 염색체가 첫 번째 세포 분열에서 쌍을 이루는 단계에서. 이 단계에서 염색체 간의 유전 물질 교환이 발생합니다.

역사적으로이 과정은 Anglo-Saxon 단어 교차점을 사용하여 문헌에 지정되어 있습니다. 이 이벤트는 상동 재조합의 결과 중 하나입니다.

동일한 염색체의 두 유전자 사이를 교차하는 빈도는 주로 그들 사이에 존재하는 거리에 달려 있습니다. 그들 사이의 물리적 거리가 작을수록 교환 빈도가 낮아집니다.

상 동성 재조합의 기능 및 결과

유전 물질은 예를 들어 방사선과 같은 내인성 및 외인성 소스로 인해 지속적으로 손상에 노출됩니다.

인간 세포에는 하루에 수십에서 수백 정도의 상당한 수의 DNA 병변이있는 것으로 추정됩니다. 이러한 병변은 잠재적 인 해로운 돌연변이, 복제 및 전사 차단, 염색체 수준의 손상을 방지하기 위해 복구해야합니다.

의학적 관점에서 올바르게 복구되지 않은 DNA 손상은 종양 및 기타 병리의 발생을 초래합니다.

상동 재조합은 DNA의 다른 (상동) 가닥을 주형으로 사용하여 손실 된 서열을 복구 할 수있는 DNA 복구를 허용하는 이벤트입니다.

이 대사 과정은 모든 형태의 생명체에 존재하며 DNA의 "틈", 이중 가닥 파손 및 DNA 가닥 간의 교차 연결을 복구 할 수있는 고 충실도 메커니즘을 제공합니다.

재조합의 가장 관련성이 높은 결과 중 하나는 새로운 유전 적 변이의 생성입니다. 돌연변이와 함께, 그것들은 생명체의 변이를 일으키는 두 가지 과정입니다. 변이는 진화의 원재료라는 것을 기억하십시오.

또한 손상된 복제 포크를 재설정하는 메커니즘을 제공합니다.

박테리아에서

박테리아에는 잦은 수평 유전자 전달 이벤트가 있습니다. 이들은 접합, 변형 및 변환으로 분류됩니다. 여기서 원핵 생물은 다른 유기체, 심지어는 다른 종의 DNA를 가져옵니다.

이러한 과정에서 수혜자 세포와 공여자 세포간에 상 동성 재조합이 발생합니다.

기구

상 동성 재조합은 염색체 DNA 분자의 가닥 중 하나가 끊어지는 것으로 시작됩니다. 그 후 여러 효소에 의해 촉매되는 일련의 단계가 발생합니다.

절단이 발생하는 3 '말단은 DNA의 상 동성 이중 가닥에 의해 침범됩니다. 침략 과정이 중요합니다. "상동 사슬"은 뉴클레오티드 서열이 동일 할 필요는 없지만 동일한 유전자를 선형 순서로 갖는 염색체 부분을 의미합니다.

시냅스

이 가닥의 침입은 상동 염색체가 서로 마주하게 만듭니다. 스레드를 만나는 이러한 현상을 시냅스라고합니다 (뉴런의 시냅스와 혼동해서는 안됩니다. 여기서이 용어는 다른 의미로 사용됩니다).

시냅스는 반드시 두 상동 서열 사이의 직접적인 접촉을 의미하지는 않으며, DNA는 상동 부분을 찾을 때까지 잠시 동안 계속 움직일 수 있습니다. 이 검색 프로세스를 상동 정렬이라고합니다.

D- 루프 형성

그런 다음 "가닥 침입"이라는 이벤트가 발생합니다. 염색체는 DNA의 이중 나선입니다. 상동 재조합에서 두 개의 염색체는 상동 서열을 찾습니다. 나선 중 하나에서 가닥이 분리되고이 가닥이 이중 나선 구조를 "침입"하여 D 루프라고하는 구조를 형성합니다.

D- 루프 가닥은 파괴 가닥의 침입에 의해 대체되었으며 원래 이중 나선의 상보 가닥과 쌍을 이룹니다.

할러데이 접합 형성

다음 단계는 할러데이 노조의 형성입니다. 여기에서 교환 된 가닥의 끝이 함께 묶여 있습니다. 이 조합은 어떤 방향 으로든 움직일 수 있습니다. 관절은 여러 번 끊어지고 형성 될 수 있습니다.

재조합의 마지막 과정은 이러한 결합의 해결이며 세포가이를 달성하는 두 가지 방법 또는 방법이 있습니다. 그중 하나는 진핵 생물의 전형적인 용해라고 불리는 과정 또는 결합의 분열입니다.

첫 번째 메커니즘에서 Holliday 접합을 끊으면 두 개의 체인이 재생성됩니다. 또 다른 "해산"사건에서는 노조에서 일종의 붕괴가 발생합니다.

관련 단백질

재조합 과정에서 중요한 단백질은 진핵 세포에서는 Rad51, 대장균에서는 RecA입니다. 그것은 시냅스 전, 도중 및 후에 다른 재조합 단계에서 작동합니다.

Rad51 단백질은 침입 DNA와 단련 된 DNA 사이의 물리적 연결 형성을 촉진합니다. 이 과정에서 heteroduplex DNA가 생성됩니다.

Rad51과 RecA 대응 물은 상 동성 DNA 검색과 DNA 가닥 교환을 촉진합니다. 이 단백질은 단일 밴드 DNA에 협력 적으로 결합하는 능력이 있습니다.

Rad55 및 Rad57이라고하는 Rad51의 패럴 로그 유전자 (유기체 계통의 유전자 복제 이벤트에서 유래)도 있습니다. 인간에서는 Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 및 Xrcc3라고하는 5 개의 Rad51 패럴 로그 유전자가 확인되었습니다.

재조합 과정과 관련된 이상

재조합은 염색체에 대한 물리적 결합을 필요로하기 때문에 감수 분열 동안 적절한 분리에 중요한 단계입니다. 적절한 재조합이 발생하지 않으면 결과는 주요 병리가 될 수 있습니다.

염색체의 비 분리 또는 분리 오류는 다운 증후군을 유발하는 21 번 염색체의 삼 염색체와 같은 염색체 기원의 이상과 낙태의 가장 흔한 원인 중 하나입니다.

재조합은 일반적으로 상당히 정확한 과정이지만, 반복되는 게놈 영역과 게놈 전체에 여러 사본을 가진 유전자는 고르지 않은 교차가 발생하기 쉽습니다.

이 이종 교배는 지중해 빈혈 및 자폐증과 같은 일반적인 질병을 포함하여 임상 적으로 다른 특성을 생성합니다.

재조합 응용

분자 생물 학자들은 상 동성 재조합 메커니즘에 대한 지식을 활용하여 다양한 기술을 개발했습니다. 이들 중 하나는 "녹아웃"유기체의 생성을 허용합니다.

이러한 유전자 변형 유기체는 관심있는 유전자의 기능을 설명하는 것을 가능하게합니다.

녹아웃 생성에 사용되는 방법론 중 하나는 원래 유전자를 변형되거나 "손상된"버전으로 대체하여 특정 유전자의 발현을 억제하는 것입니다. 유전자는 상 동성 재조합을 통해 돌연변이 된 버전으로 교환됩니다.

다른 유형의 재조합

상동 적이거나 합법적 인 재조합 외에도 다른 유형의 유전 물질 교환이 있습니다.

물질을 교환하는 DNA 영역이 비 대립 유전자 (상동 염색체) 인 경우 결과는 유전자의 복제 또는 감소입니다. 이 과정을 비상 동 재조합 또는 비 균등 재조합이라고합니다.

함께, 유전 물질은 동일한 염색체의 자매 염색체간에 교환 될 수도 있습니다. 이 과정은 감수 분열과 유사 분열 모두에서 발생하며 불평등 교환이라고합니다.

참고 문헌

1. Baker, TA, Watson, JD, & Bell, SP (2003). 유전자의 분자 생물학. Benjamin-Cummings Publishing Company.
2. Devlin, TM (2004). 생화학 : 임상 응용 프로그램이 포함 된 교과서. 나는 뒤집었다.
3. Jasin, M. 및 Rothstein, R. (2013). 상동 재조합에 의한 가닥 파손 복구. 생물학의 Cold Spring Harbor 관점, 5 (11), a012740.
4. Li, X., & Heyer, WD (2008). DNA 복구 및 DNA 손상 내성에서의 상 동성 재조합. 세포 연구, 18 (1), 99-113.
5. Murray, PR, Rosenthal, KS, & Pfaller, MA (2017). 의료 미생물학. 엘스 비어 건강 과학.
6. Nussbaum, RL, McInnes, RR, & Willard, HF (2015). 의학 전자 책에서 Thompson & Thompson 유전학. 엘스 비어 건강 과학.
7. Virgili, RO, & Taboada, JMV (2006). 인간 게놈 : 연구, 진단 및 치료의 새로운 발전. 에디션 Universitat Barcelona.