Rekombinace genů je výměna genetického materiálu mezi různými organismy. Výsledkem je produkce potomků s kombinacemi vlastností, které se liší od vlastností nalezených u obou rodičů. Většina těchto genetických výměn probíhá přirozeně.
Jak se to děje
Rekombinace genů začíná jako výsledek separace genů během tvorby gamet během meiózy, fertilizace a křížení. Křížení umožňuje alelám na molekulách DNA změnit polohu z jednoho segmentu homologního chromozomu do druhého. Rekombinace je zodpovědná za genetickou rozmanitost druhu nebo populace.
Struktura chromozomu
Chromozomy se nacházejí uvnitř jádra buněk. Jsou tvořeny z chromatinu, hmoty genetického materiálu vyrobeného z DNA, která je pevně obalena kolem proteinů nazývaných histony. Chromozom je obvykle jednovláknový a skládá se z oblasti centromery, která spojuje dlouhé a krátké oblasti.
Duplikace chromozomů
Když buňka vstoupí do svého životního cyklu, její chromozomyjsou duplikovány replikací DNA při přípravě na dělení. Každý duplikovaný chromozom se skládá ze dvou identických, nazývaných sesterské chromatidy. Jsou spojeny s oblastí centromery. Když se buňky dělí, tvoří se párové sady. Skládají se z jednoho chromozomu (homologního) od každého rodiče.
Chromozomální výměna
Rekombinace genů během přechodu byla poprvé popsána Thomasem Huntem Morganem. U eukaryot je umožněno křížením chromozomů. Proces křížení vede k tomu, že potomci mají různé kombinace genů a mohou produkovat nové chimérické alely. To umožňuje sexuálně se rozmnožujícím organismům vyhnout se Moellerově řehtačce, ve které genomy asexuální populace akumulují genetické delece nevratným způsobem.
Během profáze I jsou čtyři chromatidy pevně spojeny. V této formaci se homologní místa na dvou molekulách mohou vzájemně těsně párovat a vyměňovat si genetickou informaci. Rekombinace genu může nastat kdekoli podél chromozomu. Jeho frekvence mezi dvěma body závisí na vzdálenosti, která je odděluje.
Význam
Sledování pohybu genů v důsledku křížení se ukázalo být pro genetiky velmi užitečné. To umožňuje určit, jak daleko od sebe jsou dva geny na chromozomu. Věda může také použít tuto metodu k odvození přítomnosti určitých genů. Jedna molekula ve vázaném páru slouží jako marker pro detekci přítomnosti druhé. Používá se k detekci přítomnosti patogenůgeny.
Frekvence rekombinace mezi dvěma pozorovanými lokusy je hodnota průniku. Záleží na vzájemné vzdálenosti pozorovaných genetických ložisek. Pro jakýkoli pevný soubor podmínek prostředí má rekombinace v určité oblasti struktury vazby (chromozom) tendenci být konstantní. Totéž platí pro hodnotu průniku, která se používá při generování genetických map.
Meióza
Chromozomální křížení zahrnuje výměnu párových chromozomů zděděných od každého rodiče. Významnou roli v tomto procesu hraje meióza jako základ genové rekombinace. Molekulární modely tohoto procesu se v průběhu let vyvíjely, jak se nashromáždily důkazy. Nový model ukazuje, že dvě ze čtyř chromatid přítomných na začátku meiózy (profáze I) jsou vzájemně spárovány a jsou schopny interagovat. Probíhá v něm rekombinace chromozomů a genů. Vysvětlení adaptivní funkce meiózy, která se zaměřují pouze na průnik, jsou však pro většinu výměnných událostí nedostatečná.
Mitóza a nehomologní chromozomy
V eukaryotických buňkách může dojít ke zkřížení také během mitózy. Výsledkem jsou dvě buňky s identickým genetickým materiálem. Jakékoli zkřížení, ke kterému dojde mezi homologními chromozomy v mitóze, neprodukuje novou kombinaci genů.
Křížení, ke kterému dochází v nehomologních chromozomech, může způsobit mutaci známou jakotranslokace. Nastává, když se segment chromozomu oddělí od nehomologické molekuly a přesune se do nové polohy. Tento typ mutace může být nebezpečný, protože často vede k rozvoji rakovinných buněk.
Konverze genů
Při transformaci genů se část genetického materiálu zkopíruje z jednoho chromozomu do druhého, aniž by se změnil dárce. Ke konverzi genů dochází ve skutečném místě s vysokou frekvencí. Jedná se o proces, při kterém je sekvence DNA zkopírována z jedné šroubovice do druhé. Rekombinace genů a chromozomů byla studována u křížení hub, kde je vhodné pozorovat čtyři produkty jednotlivých meióz. Události genové konverze lze rozlišit jako odchylky v individuálním buněčném dělení od normální segregace 2:2.
Genové inženýrství
Rekombinace genů může být umělá a záměrná. Používá se na různorodé fragmenty DNA, často z různých organismů. Tak se získá rekombinantní DNA. Umělá rekombinace může být použita k přidání, odstranění nebo změně genů organismu. Tato metoda je důležitá pro biomedicínský výzkum v oblasti genetického a proteinového inženýrství.
Rekombinantní obnova
Během mitózy a meiózy může být DNA poškozená různými exogenními faktory zachráněna krokem homologní opravy (HRS). U lidí a hlodavců způsobuje nedostatek genových produktů potřebných pro FGF během meiózy neplodnost.
Bakterietransformace je proces přenosu genů, ke kterému obvykle dochází mezi jednotlivými buňkami stejného druhu. Zahrnuje integraci donorové DNA do chromozomu příjemce prostřednictvím genové rekombinace. Tento proces je adaptací na opravu poškozených buněk. Transformace může prospět patogenním bakteriím tím, že umožňuje opravu poškození DNA, ke kterému dochází v zánětlivém, oxidativním prostředí spojeném s infekcí hostitele.
Když dva nebo více virů, z nichž každý obsahuje smrtelné poškození genomu, infikují stejnou hostitelskou buňku, genomy se mohou navzájem spářit a projít FGP za vzniku životaschopných potomků. Tento proces se nazývá multiplicitní reaktivace. Byl studován u několika patogenních virů.
Rekombinace v prokaryotických buňkách
Prokaryotické buňky, stejně jako jednobuněčné bakterie bez jádra, také procházejí genetickou rekombinací. V tomto případě jsou geny jedné bakterie zahrnuty do genomu jiné bakterie křížením. Bakteriální rekombinace se provádí procesy konjugace, transformace nebo transdukce.
Při konjugaci je jedna bakterie spojena s druhou prostřednictvím proteinové tubulární struktury. V procesu transformace berou prokaryota DNA z prostředí. Nejčastěji pocházejí z mrtvých buněk.
Při transdukci dochází k výměně DNA prostřednictvím viru, který infikuje bakterie, známé jako bakteriofágy. Jakmile je cizí buňka internalizována konjugací, transformací nebo transdukcí,bakterie může vložit své segmenty do své vlastní DNA. Tento přenos se provádí křížením a vede k vytvoření rekombinantní bakteriální buňky.
