Homologna rekombinacija
Homologna rekombinacija je tip genetiče rekombinacije u kojoj se genetičke informacije razmjenjuju između dvije slične ili identične molekule dvolančanih ili jednolančanih nukleinskih kiselina (obično DNK kao u ćelijskim organizmima, ali može biti i RNK u virusima. Ćelije je naširoko koriste za precizno popravljanje štetnih prekida koji se javljaju na oba lanca DNK, poznatih kao dvolančani prelomi (DSB), u procesu koji se naziva homologna rekombinacijska popravka (HRR).[1] Homologna rekombinacija također stvara nove kombinacije sekvenci DNK tokom mejoze, procesa kojim eukarioti stvaraju gametne ćelije, poput spermatozoida i jajnih ćelija u životinja. Ove nove kombinacije DNK predstavljaju genetičku varijaciju kod potomaka, što zauzvrat omogućava populacijama da se adaptiraju tokom evolucije.[2] Homologna rekombinacija se takođe koristi za horizontalni prenos gena u razmenu genetičkog materijala između različitih sojeva i vrsta bakterija i virusa.
Iako se homologna rekombinacija uveliko razlikuje među različitim organizmima i tipovima ćelija, za dvolančanu DNK (dsDNK) većina oblika uključuje iste osnovne korake. Nakon što dođe do dvostrukog pucanja, dijelovi DNK oko 5'kraja prekidaju se odsijecanjem u procesu koji se naziva resekcija krajeva DNK . U koraku invazije lanaca, koji slijedi, nadvisivanje 3' kraja prekinute molekule DNK zatim "napada" sličnu ili identičnu molekulu DNK koja nije slomljena . Nakon invazije niti, dalji slijed događaja može biti bilo koji od dva glavna puta: DSBR (dvostruko popravljanje pukotina) putanja ili SDSA (sinteza zavisnih fokusa niti). Homologna rekombinacija koja se dogodi tokom popravljanja DNK obično rezultira proizvodima koji se ne ukrštaju, u stvari obnavljajući oštećenu molekulu DNK, kakva je postojala prije prekida dvostrukog lanca.
Homologna rekombinacija je konzervirana kroz sva tri domena života, kao i DNK i RNA virus, što sugerira da je to gotovo univerzalni biološki mehanizam. Otkriće gena za homolognu rekombinaciju u protisti ma – raznolikoj grupi eukariotskih mikroorganizama – protumačeno je kao dokaz da se mejoza pojavila rano u evoluciji eukariota. Budući da je njihova disfunkcija snažno povezana s povećanom osjetljivošću na nekoliko tipova karcinoma, proteini koji olakšavaju homolognu rekombinaciju teme su aktivnog istraživanja. Homologna rekombinacija se također koristi u ciljanje gena, tehniku za uvođenje genetičkih promjena u ciljne organizme. Za svoj razvoj ove tehnike, Mario Capecchi, Martin Evans i Oliver Smithies nagrađeni su 2007. Nobelovom nagradom za fiziologiju ili medicinu; Capecchi[3] i Smithies[4] neovisno su otkrili primjene na matičnim ćelijama mišjih embriona, ali visoko konzervirani mehanizmi u osnovi modela popravka DSB-a, uključujući jednoliku homolognu integraciju transformirane DNK (genska terapija), prvi put pokazali su Orr-Weaver, Szostack i Rothstein u eksperimentima s plazmidima.[5][6][7] Istraživanje DSB-a izazvanog plazmidima, pomoću γ-zračenja,[8] u 1970-im i 1980-im, doveli su do kasnijih eksperimenata pomoću endonukleaza (npr. I-SceI) za rezanje hromosoma za genetičko inženjerstvo sisarskih ćelija, gdje je nehomologna rekombinacija češća nego kod kvasca.[9]
U eukariota
urediHomologna rekombinacija (HR) bitna je za diobu ćelija u eukariota, kaošto su biljke, životinje, gljive i protisti. U ćelijama koje se dijele putem mitoze, homologna rekombinacija popravlja dvolančane prelome u DNK izazvane ionizirajućim zračenjem ili hemikalijama koje oštećuju DNK.[10] Ako se ne poprave, ovi dvostruki lanci mogu prouzročiti preslagivanje hromosoma u somatskim ćelijama,[11] što može izazvati kancer.[12]
Pored popravljanja DNK, homologna rekombinacija takođe pomaže u stvaranju genetičke raznolikosti kada se ćelije podijele u mejozi da postanu specijalizirani gameti – spermatozoidi ili jajne ćelije kod životinja, polen ili ovule u biljkama i spore kod gljiva. To čini olakšavanjem krosingovera, u kojem se regije slične, ali ne i identične DNK da razmenjuju DNK između homolognih hromosoma.[13][14] To stvara nove, moguće korisne kombinacije gena, koje potomcima mogu dati evolucijsku prednost.[15] Hromosomski krosingover često započinje kada protein nazvan Spo11 napravi ciljani dvolančani prekid u DNK. Ova mjesta se ne slučajno nalaze na hromosomima; obično u međugenim promotorskim regijyama i preferencijalno u GC-bogtim domenima.[16] Ova mesta prekida sa dvostrukim lancima često se javljaju na fokusima rekombinacija, hromosomskim regijama dužine od oko 1.000–2.000 baznih parova i imaju visoke stope rekombinacije. Odsustvo žarišne tačke rekombinacije između dva gena na istom hromosomu često znači da će te generacije naslijediti buduće generacije u jednakom omjeru. Ovo predstavlja veću vezanost između dva gena nego što bi se očekivalo od gena koji se ponašaju po Zakon o nezavisnom svrstavanju, drugi zakon o nezavisno sortiraju tokom mejoze.[17]
Kod bakterija
uredi
Homologna rekombinacija glavni je način popravljanja DNK u bakterijama. Takođe je važno za stvaranje genetičke raznolikosti u populacijama bakterija, iako se proces bitno razlikuje od mejotske rekombinacije, koja popravlja oštećenja DNK i dovodi do raznolikosti u eukariotskim genomima. Homologna rekombinacija je najviše proučavana i najbolje se razumije za Escherichia coli.[19] Dvolančani prekidi DNK u bakterijama popravljaju se putem RecBCD homologne rekombinacije. Smatra se da će se prekidi koji se dogode na samo jednom od dva lanca DNK, prepoznati kao jednolančane praznine, popraviti pomoću RecF puta.[20] Oba puta, i RecBCD i RecF uključuju niz reakcija poznatih kao migracija grana, u kojima se pojedinačni lanci DNK izmjenjuju između dvije međusobno ukrštene molekule dupleksne DNK i rezolucija, u kojima one odvajaju i vraćaju dvije ukrštene molekule DNK se u svoje normalno dvolančano stanje.
U virusa
urediHomologna rekombinacija javlja se u nekoliko grupa virusa. U DNK virusima, kao što je herpesvirus, rekombinacija se događa mehanizmom prekida i ponovnog spajanja kao kod bakterija i eukariota.[21] Također postoje dokazi za rekombinaciju u nekim RNK virusima, posebno pozitivno smislenih ssRNK virusa, poput retrovirusa, pikornavirusa i koronavirusa. Postoje kontroverze oko toga da li se homologna rekombinacija javlja kod negativno smislrnih ssRNK virusa, poput virusa gripe.[22]
U RNK-virusima homologna rekombinacija može biti precizna ili neprecizna. U preciznom tipu RNK-RNK rekombinacije, nema razlike između dvije roditeljske sekvence RNK i rezultirajuće ukrštene regije RNK. Zbog toga je često teško odrediti lokaciju unakrsnih događaja između dvije rekombinirajuće sekvence RNK. U nepreciznoj homolognoj rekombinaciji RNK, ukršteno područje ima određenu razliku sa roditeljskim sekvencama RNK – uzrokovano dodavanjem, delecijom ili drugom modifikacijom nukleotida. Nivo preciznosti u ukrštanju kontrolira kontekst sekvence dva rekombinirana lanca RNK: sekvence bogate adeninom i uracilom smanjuju preciznost ukrštanja.[23][24]
Homologna rekombinacija je važna za olakšavanje evolucije virusa.[23][25] Naprimjer, ako se genomi dva virusa s različitim nepovoljnim mutacijama podvrgnu rekombinaciji, tada će možda moći regenerirati potpuno funkcionalan genom. Alternativno, ako su dva slična virusa zarazila istu ćeliju domaćina, homologna rekombinacija može dopustiti da ta dva virusa zamijene gene i na taj način razvijaju svoje moćnije varijacije.[25]
Homologna rekombinacija je predloženi mehanizam kojim se DNK-virus ljujdski herpesvirus-6 integrira u ljudske telomere.[26]
Kada dva ili više virusa, od kojih svaki sadrži smrtonosno genomsko oštećenje, zaraze istu ćeliju domaćina, genomi virusa često se mogu međusobno upariti i podvrgnuti homolognoj rekombinacijskoj popravci da bi stvorili održivo potomstvo. Ovaj proces, poznat kao reaktivacija višestrukosti, proučavan je u nekoliko bakteriofaga, uključujući fag T4.[27] Enzimi za rekombinacijsku popravku u fagu T4 funkcionalno su homologni enzimima u rekombinacijskoj popravci bakterija i eukariota.[28] Konkretno, s obzirom na gen neophodan za reakciju razmjene lanaca, ključni korak u homolognoj rekombinacijskoj popravci, postoji funkcionalna homologija od virusa do ljudi (tj. UvsX u fagu T4; recA u E. coli i drugim bakterijama te rad51 i dmc1u kvascu i drugim eukariotima, uključujući ljude).[29] Reaktivacija uvišestručavanja također je dokazana i kod brojnih patogenih virusa.[30]
Efekti disfunkcije
uredi
Bez odgovarajuće homologne rekombinacije, hromosomi se često pogrešno poravnavaju za prvu fazu ćelijske diobe u mejozi. To uzrokuje se da hromosomi ne uspiju pravilno odvojiti u procesu koji se naziva nerazdvajanje. Zauzvrat, nedisjunkcija može dovesti do toga da spermatozoidi i jajne ćelije imaju premalo ili previše hromosoma. Downov sindrom, koji je uzrokovan dodatnom kopijom hromosoma 21, jedna je od mnogih abnormalnosti koje su posljedica takvog neuspjeha homologne rekombinacije u mejozi.[31]
Nedostaci homologne rekombinacije čvrsto su povezani sa stvaranjem raka kod ljudi. Naprimjer, svaka od bolesti povezanih s kancerima zvanim Bloomov sindrom, Wernerov sindrom i Rothmund-Thomsonov sindrom uzrokovane su neispravnim kopijama gena helikaze RecQ uključenih u regulaciju homologne rekombinacije: BLM, odnosno WRN i RECQL4.[32] U ćelijama pacijenata sa Bloomovim sindromom, kojima nedostaje radna kopija BLM proteina, postoji povišena stopa homologne rekombinacije.[33] Eksperimenti na miševima kojima nedostaje BLM sugeriraju da mutacija dovodi do raka putem gubitka heterozigotnosti uzrokovanog povećanom homolognom rekombinacijom.[34] Gubitak heterozigotnosti odnosi se na gubitak jedne od dvije verzije – ili alela ili gena. Ako jedan od izgubljenih alela pomogne u suzbijanju tumora, poput gena za protein retinoblastoma, tada gubitak heterozigotnosti može dovesti do raka.[35]:1236
Smanjene stope homologne rekombinacije uzrokuju neefikasno popravljanje DNK,[35] što također može dovesti do raka.[36] To je slučaj sa BRCA1 i BRCA2, dva slična gena supresije tumora čije je nepravilno funkcionisanje povezano sa znatno povećanim rizikom za dojke i rak jajnika. Ćelijre kojima nedostaju BRCA1 i BRCA2 imaju smanjenu stopu homologne rekombinacije i povećanu osetljivost na ioniziraujuće zračenje, što sugerira da smanjena homologna rekombinacija dovodi do povećane osetljivosti na rak.[36] Budući da je jedina poznata funkcija BRCA2 da pomogne u pokretanju homologne rekombinacije, istraživači pretpostavljaju da bi detaljnije poznavanje uloge BRCA2 u homolognoj rekombinaciji moglo biti ključno za razumijevanje uzroka raka dojke i jajnika.
Tumori s nedostatkom homologne rekombinacije (uključujući BRCA defekte) opisani su kao HRD-pozitivni.[37]
Evolucijsko konzerviranje
uredi
Putevi se mogu mehanički razlikovati, ali sposobnost organizama da izvrše homolognu rekombinaciju univerzalno je očuvana u svim domenima.[38] Na osnovu sličnost njihovih aminokiselinskih sekvenci, homologne sekvence za proteina mogu se naći u više domena života, što ukazuje da su oni evoluirali davno i da se razlikuju od uobičajenih predačkih proteina.[38]
Članovi porodice RecA rekombinaza nalaze se u gotovo svim organizmima sa RecA u bakterijama, Rad51 i DMC1 u eukariotima, RadA u arhejama i UvsX u T4-fagu.[39]
Srodni jednolančani vezujući proteini koji su važni za homolognu rekombinaciju, kao i mnogi drugi procesi, također se nalaze u svim domenama života.[40]
Rad54, Mre11, Rad50 i niz drugih proteina također se nalaze i u arhejama i u eukariotima.[38][39][41]
Također pogledajte
urediReference
urediVanjski linkovi
uredi
- Animations – homologous recombination: Animations showing several models of homologous recombination
- Homologous recombination: Tempy & Trun: Animation of the bacterial RecBCD pathway of homologous recombination