Mechanizmy rekombinacji 

DNA

Rearanżacje genów

 

 

Rekombinacja  homologiczna  (ogólna)  polega  na 
wymianie  fragmentów  nici  pomiędzy  dwoma  cząsteczkami 
DNA w dowolnym miejscu genomu, w miejscach największej 
homologii sekwencji.

 

 

Rekombinacja  zlokalizowana  polega  na  wymianie 
fragmentów  DNA  (informacji  genetycznej)  z  udziałem 
specyficznych białek rozpoznających  określone sekwencje 
w miejscu rekombinacji, np. rearanżacje genów u bakterii z 
udziałem plazmidów lub bakteriofagów.

 

 

Transpozycja  to  przeniesienie  specyficznych  fragmentów 
DNA z jednego chromosomu na drugi lub z jednego miejsca w 
inne w obrębie tego samego chromosomu.

 

 

Homologiczna 

rekombinacja 

zachodzi 

pomiędzy 

dwuniciowymi  cząsteczkami  DNA  posiadającymi  analogiczne 
lub bardzo podobne sekwencje nukleotydów. 

W  komórkach  eukariotycznych  do  rekombinacji  homologicznej 
dochodzi  głównie  podczas  mejozy  w  profazie  pierwszego  podziału 
redukcyjnego.  W  wyniku  tzw.  crossing  over  dochodzi  do  wymiany 
fragmentów nici DNA pomiędzy 

niesiostarzanymi

 chromatydami.

Taka rekombinacja homologiczna prowadzi do powstania nowych układów alleli 
(nowych kombinacji genów).

 

 

Model homologicznej rekombinacji

 (Robin Holliday, 1964)

Dwie cząsteczki DNA 
układają się tak względem 
siebie, że ich 
homologiczne fragmenty 
leżą na przeciw siebie.

Homologiczną 
rekominację 
zapoczątkowuje 
rozcięcie 

jednego 

z 

łańcuchów  w  każdej  z 
dwóch cząsteczek DNA.

 

 

Model homologicznej rekombinacji

 (Robin Holliday, 1964)

Wolne  końce  każdej  z 
przeciętych  nici  dokonują 
inwazji 

na 

drugą 

cząsteczkę 

DNA, 

odszukując 

rejony 

komplementarne.

 

 

Model homologicznej rekombinacji

 (Robin Holliday, 1964)

Rozcięte  łańcuchy  DNA  po 
do-konaniu  inwazji  sąsiedniej 
nici, 

podlegają 

ligacji. 

Struktura  ta  jest  dynamiczna 
i  ulega  przesunięciom  na 
znaczne 

odległości, 

co 

określa 

się 

mianem 

przemieszczania 

ramion 

lub 

wędrówki 

rozgałęzienia.

Taka  struktura,  na  którą 
składają 

się 

dwie 

nici 

krzyżujące  się  i  dwie  nici 
nieskrzyżowane  nosi  nazwę 
połączenia  Hollidaya  lub 
krzyżowej 

wymiany 

łańcuchów.

 

 

Model homologicznej rekombinacji

Dwie równoważne 
struktury

 

 

Połączenie Hollidaya

 

 

Model homologicznej rekombinacji

Połączenie Hollidaya 
może być przecinane i 
łączone na dwa 
sposoby.

Przecięcie nici inwazyjnych

Przecięcie nici 
nieinwazyjnych

 

 

Model homologicznej rekombinacji

Sliced

Patched

Powstają takie sa-
me  cząsteczki  jak 
rodzicielskie 

z 

wyjątkiem wymie-
nionych rejonów.

Powstaje 
zrekom-
binowana 
cząsteczka 
DNA.

 

 

Model homologicznej rekombinacji wg 

Hollidaya

 

 

Przykładem  rekombinacji  zlokalizowanej  jest  przenoszenie 
genów  między  komórkami  bakteryjnymi  przy  udziale 
bakteriofagów.

Rekombinacja zlokalizowana

 

 

Cykle życiowe bakteriofaga 

 

 

Genom  faga    integruje  z  chromosomem  bakteryjnym  w 

wyniku  rekombinacji  zlokalizowanej.  Za  ten  proces 
odpowiedzialny 

jest 

specjalny 

enzym 

– 

integraza, 

wytwarzana  przez  faga.  Integraza  rozpoznaje  i  rozcina 
specyficzne sekwencje DNA zarówno w genomie bakteryjnym 
(attB) jak i fagowym (attB), a następnie łączy ze sobą te dwie 
cząsteczki DNA.

Obok integrazy w tym 
pro-cesie bierze udział 
czynnik integracyjny 
gospodarza IHF 
(integration host factor).

 

 

Integraza 

rozpoznaje 

bakteryjną 

sekwencję  attB  (B-O-B’)  oraz  fagową 
attP  (P-O-P’).  B  i  B’  to  sekwencje 
specyficzne dla E. coli, P i P’ - dla faga 
lambda;  O  -  to  identyczne  sekwencje 
obecne  zarówno  w  DNA  bakterii  jak  i 
faga.

W 

wycinaniu 

faga 

z 

genomu 

bakteryjnego  udział  bierze,  obok 
integrazy 

i 

białka 

IHF, 

enzym 

ekscyzynaza. 

 

 

Rearanżacje genów  dla 

immunoglobulin/przeciwciał

 

 

Powstanie różnorodności przeciwciał wiąże się 
z:

1.  procesem  somatycznej  rekombinacji 

obejmującym  rearanżacje  i  delecje  genów  dla 
immunoglobulin,

2.  procesami  cięcia  i  składania  (splicing) 

mRNA.

 

 

Budowa genów dla łańcuchów lekkich (L)

Trzy 

geny 

kodują 

każdy 

łańcuch 

lekki 

immunoglobulin.

Część  zmienna  (V)  kodowana  jest  przez  dwa 
geny:

-  gen  V,  który  zawiera  informację 

genetyczną  dotyczącą  kolejności  pierwszych  95 
aa  części  zmiennej  łańcucha  L.  Na  ludzkim 
chromosomie  2  obecnych  jest  ponad  200  takich 
genów dla łańcucha L

 

kappa.

-  gen  J  (segment  łączący)  kodujący 

kolejnych  13  końcowych  aminokwasów  (pozycje 
96 – 108) części zmiennej  łańcucha L. Istnieje 5 
takich genów J

1

 – J

5

.

Część  stała  (C)  kodowana  jest  przez  gen  C 
kodujący  sekwencję  aminokwasową  części  stałej 
(pozycje  aa  109  –  214).  W  przypadku  genu  C 
lambda istnieje kilka jego kopii, odpowiadającym 
podtypom tego łańcucha L.

 

 

Budowa genów dla łańcuchów lekkich (L) (c.d.)

Każdy  z  genów  V  może  łączyć  się  z  dowolnym  genem  J,  co 
prowadzi do powstawania genu (egzonu) V/J. Ten nowo powstały 
gen  (egzon)  reprezentuje  jeden  z  możliwych  genów  (egzonów) 
kodujących część zmienną łańcucha L.

 

 

Podczas procesu transkrypcji gen V/J, wspólnie z genem C, ulega 
transkrypcji  do  pre-mRNA,  który  w  wyniku  procesów  cięcia  i 
składania przekształca się w dojrzały mRNA gotowy do translacji.

 

 

Budowa genów dla łańcuchów ciężkich (H)

Budowa genów dla łańuchów H 
podobna jest do budowy genu dla 
łańcucha L, ale bardziej złożona 
ponieważ:

-  gen (egzon) kodujący część 

zmienną utworzony jest z trzech genów,

- gen (egzon) kodujący część 

stałą koduje trzy/cztery domeny C,

- gen dla części stałej musi 

kodować odrębne części stałe dla 
każdej z 5 klas immunoglobulin.

 

 

Część  zmienną  łańcucha  H  kodują: 

gen  V

H

  kodujący 

pierwszych  100  aminokwasów, 

gen  D

H

  kodujący  2  –  13 

kolejnych aa i 

gen J

H

 kodujący 4 – 6 ostatnich aa.

Istnienie ponad 200 genów V

H

, około 20 genów D

H

 i 6 genów 

J

H

, co warunkuje ogromną różnorodność regionów zmiennych 

łańcuchów H.

 

 

Budowa genów dla łańcuchów ciężkich (H) c.d.

Powstanie egzonu V/D/J:

- rearanżacje (rekombinacje) prowadzą najpierw do połączenia 

genu D

H

 z genem J

H

, a następnie powstały segment przyłączony zostaje 

de genu V

H

.

 

 

Przełączanie klas immunoglobulin 

Za przełączanie klas immunoglobulin odpowiedzialny jest 
proces  rekombinacji,  który  prowadzi  do  przemieszczenia 
genu VDJ w pobliże właściwego genu C.

 

 

Transpozycje

 

 

Transpozycje

Transpozomy 

to 

ruchome 

elementy 

genetyczne 

przemieszczające  się  z  jednego  miejsca  na  drugie  w 
chromosomie.  Występują  one  zarówno  o  prokariota  jak  i 
eukariota.

W przemieszczaniu transpozomów biorą udział kodowane przez 
nie enzymy – transpozazy. Transpozycje nie wymagają 
homologii sekwencyjnych pomiędzy  cząsteczkami DNA.

 

 

Transpozomy prokariotyczne

Sekwencje  insercyjne  (IS),  należące  do  najprostszych 
transpozomów,  występują  zarówno  w  chromosomach 
bakteryjnych  jak  i  plazmidach.  Zwykle  mają  one  wielkość 
poniżej  2  kpz  i  obok  krótkich  odwróconych  powtórzeń 
końcowych, zawierają gen dla transpozazy i gen regulatorowy.

Sekwencje  docelowe  w  DNA 
gospodarza,  rozpoznawane  przez 
transpozazy, charakteryzuje je nie 
kolejność  nukleotydów,  ale  ich 
długość.

 

 

Transpozomy u prokariota

Transpozomy  złożone  zawierają  inne  geny,  nie  biorące 
bezpośrednio  udziału  w  procesie  transpozycji,  np.  geny 
oporności na antybiotyki.

Transpozon  Tn3  –  część  centralną  stanowią  3  geny  (tnpA  kodujący 
transpozazę,  tnpR  kodujący  białko  represorowe  i  resolwazę,  amp 
kodujący -laktamazę).

 

 

Mechanizmy przemieszczania się transpozomów

Transpozycja niereplikacyjna typu „wytnij i wklej”.

 

 

Transpozomy, w przypadku bakterii, odgrywają następującą 
rolę:

-  mogą  brać  udział  w  regulacji  ekspresji  genów  ze 

względu na obecność sekwencji promotorowych;

-  umożliwiając  homologiczną  rekombinację  są 

zaangażowane w rearanżacje genomów bakteryjnych;

-  ze  względu  na  obecność  genów  oporności  na 

antybiotyki  odpowiedzialne  są  za  szerzenie  się  oporności 
antybiotykowych;

- mogą uczestniczyć w tworzeniu nowych białek.