REKOMBINASI GENETIK: JENIS DAN MEKANISME - BIOLOGI - 2025

The rekombinasi genetik adalah proses dimana molekul fragmen asam nukleat ditukar menghasilkan molekul baru. Ini sangat umum dalam DNA, tetapi RNA juga merupakan substrat untuk rekombinasi. Rekombinasi, setelah mutasi, merupakan sumber terpenting dari generasi variabilitas genetik.

DNA berpartisipasi dalam proses biokimia yang berbeda. Selama replikasi, ini berfungsi sebagai templat untuk generasi dua molekul DNA baru. Dalam transkripsi, memungkinkan untuk menghasilkan molekul RNA dari daerah tertentu yang dikendalikan oleh promotor.

Langkah-langkah umum rekombinasi DNA. Juergen Bode, melalui Wikimedia Commons

Tapi selain itu, DNA juga mampu bertukar fragmen. Melalui proses ini, ia menghasilkan kombinasi baru yang bukan merupakan produk dari dua proses sebelumnya, maupun pembuahan.

Semua proses rekombinasi melibatkan pemecahan dan penggabungan molekul DNA yang berpartisipasi dalam proses tersebut. Mekanisme ini bervariasi tergantung pada substrat rekombinasi, enzim yang berpartisipasi dalam proses tersebut, dan mekanisme pelaksanaannya.

Rekombinasi umumnya bergantung pada keberadaan daerah komplementer, serupa (jika tidak identik), atau homolog antara molekul rekombinasi. Jika molekul bergabung kembali dalam proses yang tidak dipandu oleh homologi, rekombinasi tersebut dikatakan tidak homolog.

Jika homologi melibatkan wilayah yang sangat pendek yang ada di kedua molekul, rekombinasi tersebut dikatakan spesifik lokasi.

Definisi

Apa yang kita sebut homologi dalam rekombinasi tidak selalu mengacu pada asal mula evolusioner dari molekul yang berpartisipasi. Sebaliknya, kita berbicara tentang tingkat kesamaan dalam urutan nukleotida.

Rekombinasi non-reparatif, misalnya, terjadi pada eukariota selama proses meiosis. Tidak diragukan lagi, tidak ada homologi yang lebih besar daripada antara pasangan kromosom dalam sel yang sama.

Itulah mengapa mereka disebut kromosom homolog. Namun, ada kasus di mana DNA sel bertukar materi dengan DNA asing. DNA ini harus sangat mirip untuk bergabung kembali, tetapi mereka tidak harus berbagi nenek moyang yang sama (homologi) untuk mencapai ini.

Chiasm dan crossover

Tempat perlekatan dan pertukaran antara dua molekul DNA disebut kiasme, dan prosesnya sendiri disebut ikatan silang. Selama persilangan, pertukaran pita antara DNA yang berpartisipasi diverifikasi.

Ini menghasilkan kointegrasi, yang merupakan dua molekul DNA yang secara fisik bersatu menjadi satu. Ketika kointegrasi "terpecahkan", dua molekul dihasilkan, umumnya berubah (rekombinan).

Untuk "memecahkan", dalam konteks rekombinasi, adalah memisahkan komponen molekul DNA dari sebuah kointegrasi.

Jenis rekombinasi genetik

-Rekombinasi situs khusus

Dalam rekombinasi spesifik lokasi, dua molekul DNA, umumnya tidak homolog, memiliki urutan pendek yang sama untuk keduanya. Urutan ini adalah target dari enzim penyambung tertentu.

Enzim, yang mampu mengenali urutan ini dan bukan yang lain, memotongnya di lokasi tertentu di kedua molekul. Dengan bantuan beberapa faktor lain, ia menukar pita DNA dari dua molekul yang berpartisipasi dan membentuk kointegrasi.

Escherichia coli

Ini adalah dasar pembentukan kointegrasi antara genom bakteri Escherichia coli dan dari bakteriofag lambda. Bakteriofag adalah virus yang menginfeksi bakteri.

Pembentukan kointegrasi ini dilakukan oleh enzim yang dikodekan dalam genom virus: lambda integrase. Ia mengenali urutan umum yang disebut attP dalam genom sirkuler virus, dan attB dalam genom bakteri.

Dengan memotong kedua urutan di kedua molekul, ia menghasilkan segmen bebas, menukar pita, dan menggabungkan dua genom. Lingkaran yang lebih besar atau terkointegrasi kemudian dibentuk.

Dalam kointegrasi, genom virus dibawa secara pasif oleh genom bakteri, yang dengannya ia bereplikasi. Dalam keadaan ini dikatakan bahwa virus berada dalam keadaan provirus, dan bakteri itu bersifat lisogenik untuk itu.

Proses kebalikannya, yaitu penyelesaian kointegrasi, dapat memakan waktu banyak generasi - atau bahkan tidak terjadi. Namun, melakukan itu dimediasi secara enzimatis oleh protein lain yang dikodekan oleh genom virus yang disebut eksisionase. Ketika ini terjadi, virus akan memisahkan diri dari kointegrasi, mengaktifkan kembali dan menyebabkan lisis sel.

-Rekombinasi homolog

Rekombinasi umum

Rekombinasi homolog terjadi antara molekul DNA yang memiliki setidaknya 40 nukleotida yang memiliki kesamaan lengkap atau hampir sempurna. Untuk melakukan proses rekombinasi, setidaknya satu endonuklease harus dilibatkan.

Endonuklease adalah enzim yang membuat potongan internal pada DNA. Beberapa melakukannya untuk terus menurunkan DNA. Yang lainnya, seperti dalam kasus rekombinasi, melakukannya untuk menghasilkan penyok pada DNA.

Nick unik ini memungkinkan pemrosesan DNA pita tunggal dengan ujung bebas. Ujung bebas ini, yang diorientasikan oleh rekombinase, memungkinkan pita tunggal menyerang DNA ganda, menggantikan pita penduduk yang identik dengannya.

Ini adalah titik persimpangan antara molekul DNA donor ("penyerang") dan reseptor lain.

Enzim (rekombinase) yang melakukan invasi dan proses pertukaran pita di Escherichia coli disebut RecA. Ada protein homolog lain dalam prokariota, seperti RadA di archaea. Pada eukariota, enzim yang setara disebut RAD51.

Setelah pita invasif menggantikan residen, pita tersebut berinteraksi dengan pita yang dibiarkan sederhana dalam molekul donor. Kedua situs tersebut ditutup oleh aksi ligase.

Kami sekarang memiliki DNA pita hibrid (pita donor dan pita penerima, dari berbagai asal) yang diapit oleh DNA donor dan DNA penerima. Titik persilangan (chiasmata) bergerak ke dua arah setidaknya 200 bp.

Setiap titik persilangan membentuk apa yang dikenal sebagai struktur Holliday (produk DNA salib dari peristiwa rekombinasi).

DNA salib ini harus diselesaikan oleh endonuklease lain. DNA chimeric atau hybrid dari struktur ini dapat diselesaikan dengan dua cara. Jika pemotongan endonukleotida kedua terjadi di pita yang sama dengan yang pertama, tidak terjadi rekombinasi. Jika pemotongan kedua terjadi di pita lain, produk yang dihasilkan bersifat rekombinan.

DNA rekombinan dalam struktur Holliday. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Mao-4armjunction-schematic.png.

Rekombinasi V (D) J

Ini adalah jenis rekombinasi somatik (bukan meiosis) yang berkontribusi pada pembentukan variabilitas antibodi sistem kekebalan yang sangat besar.

Rekombinasi ini terjadi pada fragmen tertentu dari gen yang mengkode rantai polipeptida yang mendefinisikannya. Ini dilakukan oleh sel B dan melibatkan daerah genetik yang berbeda.

Menariknya, ada parasit seperti Trypanosoma brucei yang menggunakan mekanisme rekombinasi serupa untuk menciptakan variabilitas dalam antigen permukaan. Dengan cara ini, mereka dapat menghindari respons inang jika inang gagal menghasilkan antibodi yang mampu mengenali antigen "baru".

Keragaman antibodi yang diciptakan oleh rekombinasi. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Cambio_clase_recombinacion.PNG

-Tidak ada rekombinasi homolog

Terakhir, ada proses rekombinasi yang tidak bergantung pada kesamaan urutan molekul yang berpartisipasi. Pada eukariota, misalnya, rekombinasi ujung non-homolog sangat penting.

Ini terjadi dengan fragmen DNA yang menunjukkan putusnya pita ganda pada DNA. Ini "diperbaiki" oleh sel yang menggabungkannya ke fragmen lain juga dengan putus pita ganda.

Namun, molekul ini tidak harus serupa untuk berpartisipasi dalam proses rekombinasi ini. Artinya, dengan memperbaiki kerusakan, sel dapat bergabung dengan DNA yang tidak terkait, sehingga menciptakan molekul (rekombinan) yang benar-benar baru.

Pentingnya rekombinasi

Pentingnya sebagai penyebab: replikasi dan perbaikan DNA

Rekombinasi memastikan kebenaran informasi DNA selama dan setelah proses replikasi. Rekombinasi mendeteksi kerusakan DNA selama proses pita baru di makromolekul yang sangat panjang ini.

Karena setiap pita memiliki informasinya sendiri, dan informasi yang saling melengkapi, rekombinasi menjamin bahwa tidak ada yang hilang. Masing-masing bertindak sebagai saksi bagi yang lain. Demikian pula, pada organisme diploid, kromosom homolog menyaksikan saudara kandungnya, dan sebaliknya.

Di sisi lain, setelah DNA direplikasi, mekanisme perbaikan kerusakan molekul ini bervariasi. Beberapa langsung (cedera ditindaklanjuti secara langsung) dan lainnya tidak langsung.

Mekanisme perbaikan tidak langsung bergantung pada rekombinasi yang akan berlangsung. Artinya, untuk memperbaiki kerusakan dalam molekul DNA, digunakan molekul homolog lain. Ini akan bertindak dalam rekombinasi reparatif sebagai template yang telah mengalami kerusakan.

Pentingnya sebagai konsekuensi: pembentukan keragaman genetik

Rekombinasi mampu menciptakan variabilitas kromosom yang sangat besar selama meiosis. Rekombinasi somatik juga menghasilkan variabilitas, seperti dalam kasus antibodi pada vertebrata.

Pada banyak organisme meiosis bersifat gametik. Dalam organisme yang bereproduksi secara seksual, rekombinasi ternyata menjadi salah satu cara paling ampuh untuk menghasilkan variabilitas.

Artinya, untuk mutasi spontan dan segregasi kromosom, rekombinasi harus ditambahkan sebagai elemen lain yang menghasilkan variabilitas gametik.

Integrasi genom bakteriofag dengan rekombinasi spesifik lokasi, di sisi lain, telah berkontribusi pada pemodelan ulang genom bakteri inang mereka.

Ini telah berkontribusi pada generasi variabilitas genom, dan evolusi, kelompok makhluk hidup yang penting ini.

Rekombinasi dan kesehatan

Kita telah melihat bahwa DNA dapat diperbaiki, tetapi tidak merusaknya. Pada kenyataannya, hampir semua hal dapat merusak DNA, dimulai dengan replikasi yang salah yang tidak terkoreksi.

Tapi lebih dari itu, DNA bisa rusak oleh sinar UV, radiasi pengion, radikal oksigen bebas yang dihasilkan oleh respirasi sel, dan apa yang kita makan, asap, hirup, telan, atau sentuh.

Untungnya, Anda tidak harus menyerah untuk melindungi DNA. Hal-hal tertentu harus dilepaskan, tetapi pekerjaan besar dilakukan oleh sel itu sendiri. Mekanisme untuk mendeteksi kerusakan pada DNA ini, dan perbaikannya, jelas memiliki dasar genetik, dan kekurangannya, akibat yang sangat besar.

Penyakit yang terkait dengan cacat pada rekombinasi homolog termasuk, misalnya, sindrom Bloom dan Werner, kanker payudara dan ovarium keluarga, dll.

Referensi

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Biologi Molekuler Sel (Edisi ke-6). WW Norton & Company, New York, NY, AS.
2. Bell, JC, Kowalczykowski, SC (2016) Mekanika dan interogasi molekul tunggal dari rekombinasi DNA. Review Tahunan Biokimia, 85: 193-226.
3. Prado, F. () Rekombinasi Homolog: To Fork and Beyond. Gen, doi: 10.3390 / genes9120603
4. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). An Introduction to Genetic Analysis (edisi ke-11). New York: WH Freeman, New York, NY, AS.
5. Tock, AJ, Henderson, IR (2018) Hotspot untuk Inisiasi Rekombinasi Meiotik. Frontiers in Genetics, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) A Prophages in Salmonella enterica: suatu kekuatan pendorong dalam pembentukan kembali genom dan fisiologi inang bakterinya? Mikrobiologi Molekuler, doi: 10.1111 / mmi.14167.
7. Wright, WD, Shah, SS, Heyer, WD (2018) Rekombinasi homolog dan perbaikan putus untai ganda DNA. Jurnal Kimia Biologi, 293: 10524-10535