Geenien rekombinaatio on geneettisen materiaalin vaihtoa eri organismien välillä. Se johtaa jälkeläisten tuottamiseen, joilla on ominaisuuksien yhdistelmiä, jotka eroavat molemmissa vanhemmissa havaituista. Suurin osa näistä geneettisistä vaihdoista tapahtuu luonnollisesti.
Kuinka se tapahtuu
Geenien rekombinaatio alkaa geenien erottumisesta sukusolujen muodostumisen aikana meioosin, hedelmöittymisen ja risteytymisen aikana. Ristittäminen mahdollistaa DNA-molekyylien alleelien vaihtamisen homologisesta kromosomisegmentistä toiseen. Rekombinaatio on vastuussa lajin tai populaation geneettisestä monimuotoisuudesta.
Kromosomirakenne
Kromosomit sijaitsevat solujen ytimen sisällä. Ne muodostuvat kromatiinista, DNA:sta koostuvasta geneettisen materiaalin massasta, joka on kietoutunut tiukasti histoneiksi kutsuttujen proteiinien ympärille. Kromosomi on yleensä yksijuosteinen ja koostuu sentromeerialueesta, joka yhdistää pitkän ja lyhyen alueen.
Kromosomien moninkertaistuminen
Kun solu siirtyy elinkaareensa, sen kromosomitmonistuvat DNA:n replikaation kautta valmistautuessaan jakautumiseen. Jokainen kaksoiskromosomi koostuu kahdesta identtisestä kromosomista, joita kutsutaan sisarkromatideiksi. Ne liittyvät sentromeerialueeseen. Kun solut jakautuvat, muodostuu parillisia joukkoja. Ne koostuvat yhdestä kromosomista (homologisesta) kumm altakin vanhemm alta.
Kromosomivaihto
Geenien rekombinaation ylityksen aikana kuvasi ensimmäisenä Thomas Hunt Morgan. Eukaryooteissa sitä helpottaa kromosomien risteytys. Risteytysprosessi johtaa siihen, että jälkeläisillä on erilaisia geeniyhdistelmiä ja ne voivat tuottaa uusia kimeerisiä alleeleja. Tämä antaa seksuaalisesti lisääntyville organismeille mahdollisuuden välttää Moellerin räikkä, jossa aseksuaalisen populaation genomit keräävät geneettisiä deleetioita peruuttamattomasti.
Profaasin I aikana neljä kromatidia ovat tiiviisti yhteydessä toisiinsa. Tässä muodostelmassa kahden molekyylin homologiset kohdat voivat pariutua läheisesti toisiinsa ja vaihtaa geneettistä tietoa. Geenien rekombinaatio voi tapahtua missä tahansa kromosomissa. Sen taajuus kahden pisteen välillä riippuu niiden välisestä etäisyydestä.
Merkitys
Geenien liikkeiden seuraaminen risteytysten seurauksena on osoittautunut erittäin hyödylliseksi geneetikoille. Tämä tekee mahdolliseksi määrittää, kuinka kaukana toisistaan kaksi geeniä ovat kromosomissa. Tiede voi myös käyttää tätä menetelmää päätelläkseen tiettyjen geenien olemassaolosta. Yksi sitoutuneessa parissa oleva molekyyli toimii markkerina toisen läsnäolon havaitsemiseksi. Sitä käytetään patogeenien havaitsemiseengeenit.
Kahden havaitun lokuksen välinen rekombinaatiotaajuus on leikkausarvo. Se riippuu havaittujen geneettisten pesäkkeiden keskinäisestä etäisyydestä. Missä tahansa kiinteässä ympäristöolosuhteissa rekombinaatiolla tietyllä sidosrakenteen alueella (kromosomissa) on taipumus olla vakio. Sama pätee leikkausarvoon, jota käytetään luotaessa geneettisiä karttoja.
Meioosi
Kromosomien risteytys sisältää kumm altakin vanhemm alta perittyjen parillisten kromosomien vaihdon. Meioosilla, geenien rekombinaation perustana, on tärkeä rooli tässä prosessissa. Tämän prosessin molekyylimallit ovat kehittyneet vuosien varrella, kun todisteita on kertynyt. Uusi malli osoittaa, että kaksi neljästä meioosin alussa (profaasi I) esiintyvästä kromatidista on paritettu keskenään ja pystyvät olemaan vuorovaikutuksessa. Siinä tapahtuu kromosomien ja geenien rekombinaatio. Pelkästään leikkauspisteeseen keskittyvät selitykset meioosin mukautuvasta funktiosta eivät kuitenkaan riitä useimpiin vaihtotapahtumiin.
Mitoosi ja ei-homologiset kromosomit
Eukaryoottisoluissa risteytys voi tapahtua myös mitoosin aikana. Tämä johtaa kahteen soluun, joilla on identtinen geneettinen materiaali. Mikään mitoosissa olevien homologisten kromosomien välillä tapahtuva risteytys ei tuota uutta geeniyhdistelmää.
Ei-homologisissa kromosomeissa tapahtuva risteys voi tuottaa mutaation, joka tunnetaan nimellätranslokaatio. Se tapahtuu, kun kromosomin segmentti eroaa ei-homologisesta molekyylistä ja siirtyy uuteen paikkaan. Tämäntyyppinen mutaatio voi olla vaarallinen, koska se johtaa usein syöpäsolujen kehittymiseen.
Geenimuunnos
Kun geenejä muutetaan, osa geneettisestä materiaalista kopioidaan kromosomista toiseen luovuttajaa vaihtamatta. Geenimuunnos tapahtuu korkealla taajuudella todellisessa paikassa. Tämä on prosessi, jolla DNA-sekvenssi kopioidaan heliksistä toiseen. Geenien ja kromosomien rekombinaatiota on tutkittu sieniristeyksissä, joissa on kätevää tarkkailla yksittäisten meioosien neljää tuotetta. Geenimuunnostapahtumat voidaan erottaa yksittäisten solujen jakautumisen poikkeamia normaalista 2:2-segregaatiosta.
Geenitekniikka
Geenien rekombinaatio voi olla keinotekoista ja tahallista. Sitä käytetään erilaisiin DNA-fragmentteihin, jotka ovat usein peräisin eri organismeista. Siten saadaan rekombinantti-DNA. Keinotekoista rekombinaatiota voidaan käyttää lisäämään, poistamaan tai muuttamaan organismin geenejä. Tämä menetelmä on tärkeä biolääketieteellisessä tutkimuksessa geenitekniikan ja proteiinitekniikan alalla.
Rekombinanttit alteenotto
Mitoosin ja meioosin aikana erilaisten eksogeenisten tekijöiden vahingoittama DNA voidaan pelastaa homologisella korjausvaiheella (HRS). Ihmisillä ja jyrsijöillä FGF:n edellyttämien geenituotteiden puute meioosin aikana aiheuttaa hedelmättömyyttä.
Bakteereitatransformaatio on geeninsiirtoprosessi, joka yleensä tapahtuu saman lajin yksittäisten solujen välillä. Se sisältää luovuttajan DNA:n integroimisen vastaanottajan kromosomiin geenirekombinaation kautta. Tämä prosessi on mukautuminen vaurioituneiden solujen korjaamiseen. Transformaatio voi hyödyttää patogeenisiä bakteereja mahdollistamalla isäntäinfektioon liittyvässä tulehduksellisessa, oksidatiivisessa ympäristössä tapahtuvien DNA-vaurioiden korjaamisen.
Kun kaksi tai useampi virus, joista kukin sisältää tappavan genomisen vaurion, infektoi saman isäntäsolun, genomit voivat paritella toistensa kanssa ja kulkea FGP:n läpi tuottaakseen elinkelpoisia jälkeläisiä. Tätä prosessia kutsutaan moninkertaiseksi uudelleenaktivaatioksi. Sitä on tutkittu useissa patogeenisissä viruksissa.
Rekombinaatio prokaryoottisoluissa
Prokaryoottisolut, kuten yksisoluiset bakteerit, joissa ei ole tumaa, käyvät läpi myös geneettisen rekombinaation. Tässä tapauksessa yhden bakteerin geenit sisällytetään toisen bakteerin genomiin risteyttämällä. Bakteerien rekombinaatio suoritetaan konjugaatio-, muunnos- tai transduktioprosesseilla.
Konjugaatiossa yksi bakteeri on yhteydessä toiseen proteiiniputkimaisen rakenteen kautta. Transformaatioprosessissa prokaryootit ottavat DNA:ta ympäristöstä. Ne tulevat useimmiten kuolleista soluista.
Transduktiossa DNA vaihtuu bakteereja infektoivan viruksen kautta, joka tunnetaan nimellä bakteriofagi. Kun vieras solu on sisäistetty konjugaation, transformaation tai transduktion kautta,bakteeri voi lisätä segmenttinsä omaan DNA:hansa. Tämä siirto tapahtuu risteyttämällä, ja se johtaa rekombinanttibakteerisolun syntymiseen.
