Ο ανασυνδυασμός γονιδίων είναι η ανταλλαγή γενετικού υλικού μεταξύ διαφορετικών οργανισμών. Έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή απογόνων με συνδυασμούς χαρακτηριστικών που διαφέρουν από αυτούς που συναντώνται και στους δύο γονείς. Οι περισσότερες από αυτές τις γενετικές ανταλλαγές συμβαίνουν φυσικά.
Πώς συμβαίνει
Ο ανασυνδυασμός γονιδίων ξεκινά ως αποτέλεσμα του διαχωρισμού των γονιδίων κατά τον σχηματισμό γαμετών κατά τη διάρκεια της μείωσης, της γονιμοποίησης και της διασταύρωσης. Η διασταύρωση επιτρέπει στα αλληλόμορφα μόρια DNA να αλλάζουν θέση από ένα ομόλογο τμήμα χρωμοσώματος σε άλλο. Ο ανασυνδυασμός είναι υπεύθυνος για τη γενετική ποικιλότητα ενός είδους ή ενός πληθυσμού.
Δομή χρωμοσώματος
Τα χρωμοσώματα βρίσκονται μέσα στον πυρήνα των κυττάρων. Σχηματίζονται από χρωματίνη, μια μάζα γενετικού υλικού από DNA που είναι τυλιγμένο σφιχτά γύρω από πρωτεΐνες που ονομάζονται ιστόνες. Το χρωμόσωμα είναι συνήθως μονόκλωνο και αποτελείται από μια περιοχή κεντρομερούς που συνδέει τη μακριά και τη μικρή περιοχή.
Διπλασιασμός των χρωμοσωμάτων
Όταν ένα κύτταρο εισέρχεται στον κύκλο ζωής του, στα χρωμοσώματά τουαντιγράφονται μέσω της αντιγραφής του DNA κατά την προετοιμασία για διαίρεση. Κάθε διπλό χρωμόσωμα αποτελείται από δύο πανομοιότυπα, που ονομάζονται αδελφές χρωματίδες. Συνδέονται με την περιοχή του κεντρομερούς. Όταν τα κύτταρα διαιρούνται, σχηματίζονται ζευγαρωμένα σύνολα. Αποτελούνται από ένα χρωμόσωμα (ομόλογο) από κάθε γονέα.
Χρωμοσωματική ανταλλαγή
Ο ανασυνδυασμός γονιδίου κατά τη διασταύρωση περιγράφηκε για πρώτη φορά από τον Thomas Hunt Morgan. Στους ευκαρυώτες, διευκολύνεται από τη διασταύρωση χρωμοσωμάτων. Η διαδικασία της διασταύρωσης έχει ως αποτέλεσμα οι απόγονοι να έχουν διαφορετικούς συνδυασμούς γονιδίων και μπορούν να παράγουν νέα χιμαιρικά αλληλόμορφα. Αυτό επιτρέπει στους σεξουαλικά αναπαραγόμενους οργανισμούς να αποφεύγουν την καστάνια του Moeller, στην οποία τα γονιδιώματα ενός ασεξουαλικού πληθυσμού συσσωρεύουν γενετικές διαγραφές με μη αναστρέψιμο τρόπο.
Κατά τη διάρκεια της προφάσης Ι, οι τέσσερις χρωματίδες συνδέονται στενά. Σε αυτόν τον σχηματισμό, ομόλογες θέσεις σε δύο μόρια μπορούν να ζευγαρώσουν στενά μεταξύ τους και να ανταλλάξουν γενετικές πληροφορίες. Ο ανασυνδυασμός γονιδίων μπορεί να συμβεί οπουδήποτε κατά μήκος του χρωμοσώματος. Η συχνότητά του μεταξύ δύο σημείων εξαρτάται από την απόσταση που τα χωρίζει.
Σημασία
Η παρακολούθηση της κίνησης των γονιδίων ως αποτέλεσμα διασταυρώσεων έχει αποδειχθεί πολύ χρήσιμη για τους γενετιστές. Αυτό καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό της απόστασης δύο γονιδίων σε ένα χρωμόσωμα. Η επιστήμη μπορεί επίσης να χρησιμοποιήσει αυτή τη μέθοδο για να συμπεράνει την παρουσία ορισμένων γονιδίων. Ένα μόριο σε ένα συνδεδεμένο ζεύγος χρησιμεύει ως δείκτης για την ανίχνευση της παρουσίας του άλλου. Χρησιμοποιείται για την ανίχνευση της παρουσίας παθογόνωνγονίδια.
Η συχνότητα ανασυνδυασμού μεταξύ δύο παρατηρούμενων τόπων είναι η τιμή τομής. Εξαρτάται από την αμοιβαία απόσταση των παρατηρούμενων γενετικών εστιών. Για οποιοδήποτε σταθερό σύνολο περιβαλλοντικών συνθηκών, ο ανασυνδυασμός σε μια συγκεκριμένη περιοχή της δομής του δεσμού (το χρωμόσωμα) τείνει να είναι σταθερός. Το ίδιο ισχύει για την τιμή τομής, η οποία χρησιμοποιείται κατά τη δημιουργία γενετικών χαρτών.
Meiosis
Η χρωμοσωμική διασταύρωση περιλαμβάνει την ανταλλαγή ζευγαρωμένων χρωμοσωμάτων που κληρονομούνται από κάθε γονέα. Η μείωση, ως βάση του ανασυνδυασμού των γονιδίων, παίζει σημαντικό ρόλο σε αυτή τη διαδικασία. Τα μοριακά μοντέλα αυτής της διαδικασίας έχουν εξελιχθεί με τα χρόνια καθώς έχουν συσσωρευτεί στοιχεία. Το νέο μοντέλο καταδεικνύει ότι δύο από τις τέσσερις χρωματίδες που υπάρχουν στην αρχή της μείωσης (πρόφαση Ι) είναι ζευγαρωμένες μεταξύ τους και είναι σε θέση να αλληλεπιδρούν. Σε αυτό λαμβάνει χώρα ανασυνδυασμός χρωμοσωμάτων και γονιδίων. Ωστόσο, οι εξηγήσεις της προσαρμοστικής συνάρτησης της μείωσης που εστιάζουν αποκλειστικά στη διασταύρωση είναι ανεπαρκείς για τα περισσότερα συμβάντα ανταλλαγής.
Μίτωση και μη ομόλογα χρωμοσώματα
Στα ευκαρυωτικά κύτταρα, η διασταύρωση μπορεί επίσης να συμβεί κατά τη διάρκεια της μίτωσης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα δύο κύτταρα με πανομοιότυπο γενετικό υλικό. Οποιαδήποτε διασταύρωση που συμβαίνει μεταξύ ομόλογων χρωμοσωμάτων στη μίτωση δεν παράγει νέο συνδυασμό γονιδίων.
Η διασταύρωση που συμβαίνει σε μη ομόλογα χρωμοσώματα μπορεί να προκαλέσει μια μετάλλαξη γνωστή ωςμετατόπιση. Εμφανίζεται όταν ένα τμήμα ενός χρωμοσώματος διαχωρίζεται από και μετακινείται σε μια νέα θέση σε ένα μη ομόλογο μόριο. Αυτός ο τύπος μετάλλαξης μπορεί να είναι επικίνδυνος καθώς συχνά οδηγεί στην ανάπτυξη καρκινικών κυττάρων.
Μετατροπή γονιδίου
Όταν τα γονίδια μετασχηματίζονται, μέρος του γενετικού υλικού αντιγράφεται από το ένα χρωμόσωμα στο άλλο χωρίς να αλλάξει ο δότης. Η γονιδιακή μετατροπή λαμβάνει χώρα σε υψηλή συχνότητα στην πραγματική τοποθεσία. Αυτή είναι η διαδικασία με την οποία μια αλληλουχία DNA αντιγράφεται από τη μια έλικα στην άλλη. Ο ανασυνδυασμός γονιδίων και χρωμοσωμάτων έχει μελετηθεί σε διασταυρώσεις μυκήτων, όπου είναι βολικό να παρατηρηθούν τα τέσσερα προϊόντα μεμονωμένων μεϊώσεων. Τα συμβάντα γονιδιακής μετατροπής μπορούν να διακριθούν ως αποκλίσεις στην μεμονωμένη κυτταρική διαίρεση από τον κανονικό διαχωρισμό 2:2.
Γονιδιακή μηχανική
Ο ανασυνδυασμός γονιδίων μπορεί να είναι τεχνητός και σκόπιμος. Χρησιμοποιείται σε διαφορετικά θραύσματα DNA, συχνά από διαφορετικούς οργανισμούς. Έτσι, λαμβάνεται ανασυνδυασμένο DNA. Ο τεχνητός ανασυνδυασμός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προσθήκη, αφαίρεση ή αλλαγή των γονιδίων ενός οργανισμού. Αυτή η μέθοδος είναι σημαντική για τη βιοϊατρική έρευνα στον τομέα της γενετικής και πρωτεϊνικής μηχανικής.
Ανασυνδυασμένη ανάκτηση
Κατά τη διάρκεια της μίτωσης και της μείωσης, το DNA που έχει καταστραφεί από διάφορους εξωγενείς παράγοντες μπορεί να σωθεί με το στάδιο της ομόλογης επιδιόρθωσης (HRS). Σε ανθρώπους και τρωκτικά, μια ανεπάρκεια στα γονιδιακά προϊόντα που απαιτούνται για το FGF κατά τη διάρκεια της μείωσης προκαλεί στειρότητα.
ΒακτήριαΟ μετασχηματισμός είναι η διαδικασία μεταφοράς γονιδίου που συνήθως συμβαίνει μεταξύ μεμονωμένων κυττάρων του ίδιου είδους. Περιλαμβάνει την ενσωμάτωση του DNA του δότη στο χρωμόσωμα του δέκτη μέσω ανασυνδυασμού γονιδίων. Αυτή η διαδικασία είναι μια προσαρμογή για την επιδιόρθωση κατεστραμμένων κυττάρων. Ο μετασχηματισμός μπορεί να ωφελήσει τα παθογόνα βακτήρια επιτρέποντας την αποκατάσταση της βλάβης του DNA που συμβαίνει στο φλεγμονώδες, οξειδωτικό περιβάλλον που σχετίζεται με τη μόλυνση από τον ξενιστή.
Όταν δύο ή περισσότεροι ιοί, ο καθένας από τους οποίους περιέχει θανατηφόρα γονιδιωματική βλάβη, μολύνουν το ίδιο κύτταρο ξενιστή, τα γονιδιώματα μπορούν να ζευγαρώσουν μεταξύ τους και να περάσουν από το FGP για να παράγουν βιώσιμους απογόνους. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται επανενεργοποίηση πολλαπλότητας. Έχει μελετηθεί σε αρκετούς παθογόνους ιούς.
Ανασυνδυασμός σε προκαρυωτικά κύτταρα
Τα προκαρυωτικά κύτταρα, όπως τα μονοκύτταρα βακτήρια χωρίς πυρήνα, υφίστανται επίσης γενετικό ανασυνδυασμό. Σε αυτή την περίπτωση, τα γονίδια ενός βακτηρίου περιλαμβάνονται στο γονιδίωμα ενός άλλου με διασταύρωση. Ο βακτηριακός ανασυνδυασμός πραγματοποιείται με τις διαδικασίες σύζευξης, μετασχηματισμού ή μεταγωγής.
Σε σύζευξη, ένα βακτήριο συνδέεται με ένα άλλο μέσω μιας πρωτεϊνικής σωληναριακής δομής. Στη διαδικασία του μετασχηματισμού, τα προκαρυωτικά παίρνουν DNA από το περιβάλλον. Τις περισσότερες φορές προέρχονται από νεκρά κύτταρα.
Στη μεταγωγή, το DNA ανταλλάσσεται μέσω ενός ιού που μολύνει τα βακτήρια, γνωστού ως βακτηριοφάγου. Μόλις το ξένο κύτταρο εσωτερικευτεί μέσω σύζευξης, μετασχηματισμού ή μεταγωγής,το βακτήριο μπορεί να εισάγει τα τμήματα του στο δικό του DNA. Αυτή η μεταφορά πραγματοποιείται με διασταύρωση και οδηγεί στη δημιουργία ενός ανασυνδυασμένου βακτηριακού κυττάρου.
