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.