Rekombinasi homolog: fungsi, mekanisme dan aplikasi

Rekombinasi homolog adalah proses yang melibatkan pertukaran molekul DNA antara bagian genom yang serupa atau identik. Sel-sel menggunakan rekombinasi homolog terutama untuk perbaikan jeda dalam materi genetik, menghasilkan variasi genetik dalam populasi.

Secara umum, rekombinasi homolog menyiratkan pasangan fisik antara zona homolog dari materi genetik, diikuti oleh putusnya rantai yang akan mengalami pertukaran, dan akhirnya penyatuan molekul DNA baru digabungkan.

Kerusakan pada DNA harus diperbaiki secepat dan seefisien mungkin. Ketika kerusakan tidak diperbaiki, konsekuensinya bisa serius dan bahkan mematikan. Pada bakteri, fungsi utama rekombinasi homolog adalah untuk memperbaiki kerusakan pada materi genetik.

Rekombinasi homolog dianggap sebagai salah satu mekanisme utama yang memungkinkan stabilitas genom. Ia hadir di semua domain kehidupan dan bahkan dalam virus, jadi agaknya itu adalah mekanisme vital yang muncul sangat awal dalam evolusi kehidupan.

Perspektif sejarah

Salah satu prinsip paling relevan yang dikemukakan oleh Gregor Mendel adalah independensi dalam pemisahan karakter. Menurut hukum ini, berbagai gen diturunkan dari orang tua ke anak-anak secara mandiri.

Namun, pada tahun 1900 keberadaan pengecualian yang sangat mencolok untuk prinsip ini terbukti. Ahli genetika Inggris Bateson dan Punnett menunjukkan bahwa berkali-kali karakter tertentu diwarisi bersama, dan untuk fitur-fitur ini prinsip yang diucapkan oleh Mendel tidak memiliki validitas.

Investigasi kemudian berhasil menjelaskan keberadaan proses rekombinasi, di mana sel-sel mampu menukar bahan genetik. Dalam kasus-kasus di mana gen diwariskan bersama, DNA tidak ditukar karena kedekatan fisik antara gen.

Apa itu rekombinasi homolog?

Rekombinasi homolog adalah fenomena seluler yang melibatkan pertukaran fisik sekuens DNA antara dua kromosom. Rekombinasi melibatkan seperangkat gen yang dikenal sebagai gen rec. Kode ini untuk berbagai enzim yang terlibat dalam proses.

Molekul DNA dianggap "homolog" ketika mereka berbagi urutan yang sama atau identik lebih dari 100 pasangan basa. DNA memiliki daerah kecil yang dapat berbeda satu sama lain, dan varian ini dikenal sebagai alel.

Pada makhluk hidup, semua DNA dianggap sebagai DNA rekombinan. Pertukaran bahan genetik antara kromosom terjadi terus menerus, mencampur dan mengatur ulang gen dalam kromosom.

Proses ini jelas terjadi pada meiosis. Khususnya pada fase di mana kromosom dipasangkan dalam pembelahan sel pertama. Pada tahap ini, terjadi pertukaran materi genetik antara kromosom.

Secara historis, proses ini ditunjuk dalam literatur menggunakan kata Anglo-Saxon menyeberang. Acara ini adalah salah satu hasil rekombinasi homolog.

Frekuensi menyeberang antara dua gen dari kromosom yang sama tergantung terutama pada jarak antara keduanya; semakin kecil jarak fisik di antara mereka, semakin rendah frekuensi pertukaran.

Fungsi dan konsekuensi dari rekombinasi homolog

Bahan genetik terus-menerus terkena kerusakan, yang disebabkan oleh sumber endogen dan eksogen, seperti radiasi, misalnya.

Diperkirakan sel manusia menunjukkan sejumlah besar lesi dalam DNA, dalam urutan puluhan hingga ratusan per hari. Lesi ini perlu diperbaiki untuk menghindari potensi mutasi yang merusak, penyumbatan dalam replikasi dan transkripsi dan kerusakan kromosom.

Dari sudut pandang medis, kerusakan DNA yang tidak diperbaiki dengan benar menghasilkan perkembangan tumor dan patologi lainnya.

Rekombinasi homolog adalah suatu peristiwa yang memungkinkan perbaikan dalam DNA, memungkinkan pemulihan sekuens yang hilang, menggunakan templat untai lain (homolog) DNA.

Proses metabolisme ini hadir dalam semua bentuk kehidupan, menyediakan mekanisme kesetiaan tinggi yang memungkinkan untuk memperbaiki "kesenjangan" dalam DNA, jeda rantai ganda dan hubungan silang antara rantai DNA.

Salah satu konsekuensi paling relevan dari rekombinasi adalah generasi variasi genetik baru. Bersama dengan mutasi, mereka adalah dua proses yang menghasilkan variasi pada makhluk hidup - ingat bahwa variasi adalah bahan mentah untuk evolusi.

Selain itu, ia menyediakan mekanisme untuk me-restart garpu replikasi yang telah rusak.

Pada bakteri

Pada bakteri, sering terjadi transfer gen horizontal. Ini diklasifikasikan sebagai konjugasi, transformasi dan transduksi. Di sini, prokariota mengambil DNA dari organisme lain, dan bahkan dari spesies yang berbeda.

Selama proses ini, rekombinasi homolog terjadi antara sel penerima dan sel donor.

Mekanisme

Rekombinasi homolog dimulai dengan pemutusan di salah satu untai molekul DNA kromosom. Setelah ini, serangkaian langkah dikatalisasi oleh beberapa enzim terjadi.

Ujung 3'-tempat pemotongan terjadi diserang oleh untai DNA homolog ganda. Proses invasi sangat penting. Dengan "rantai homolog" kami ingin merujuk pada bagian-bagian kromosom yang memiliki gen yang sama dalam urutan linier, meskipun sekuens nukleotida tidak harus identik.

Sinapsis

Invasi untai ini menempatkan kromosom homolog saling berhadapan. Fenomena pertemuan untai ini disebut sinapsis (tidak harus bingung dengan sinapsis dalam neuron, di sini istilah ini digunakan dengan makna lain).

Sinaps tidak berarti kontak langsung antara kedua sekuens homolog, DNA dapat terus bergerak untuk sementara waktu sampai ia menemukan bagian homolog. Proses pencarian ini disebut penyelarasan homolog.

Pembentukan loop D.

Kemudian, suatu peristiwa yang disebut "invasi benang" terjadi. Kromosom adalah heliks ganda DNA. Dalam rekombinasi homolog dua kromosom mencari urutan homologinya. Dalam salah satu heliks, helai terpisah dan helai ini "menyerang" struktur heliks ganda, membentuk struktur yang disebut loop D.

Rantai loop D telah digantikan oleh invasi untai yang menyajikan pecah dan berpasangan dengan untai komplementer dari heliks ganda asli.

Pembentukan serikat Holliday

Langkah selanjutnya adalah pembentukan persimpangan Holliday. Di sini, ujung utas yang dipertukarkan terhubung. Serikat ini memiliki kemampuan untuk bergerak ke segala arah. Serikat pekerja dapat dipecah dan dibentuk pada beberapa kesempatan.

Proses terakhir dari rekombinasi adalah resolusi dari persimpangan-persimpangan ini dan ada dua cara atau cara di mana sel mencapainya. Salah satunya adalah perpecahan persatuan atau proses yang disebut pembubaran, khas organisme eukariotik.

Pada mekanisme pertama, pemutusan persatuan Holliday meregenerasi dua rantai. Di acara lain "pembubaran" semacam keruntuhan terjadi di serikat.

Protein terlibat

Protein penting dari proses rekombinasi disebut Rad51 dalam sel eukariotik, dan RecA dalam Escherichia coli. Ia bekerja dalam fase rekombinasi yang berbeda: sebelum, selama dan setelah sinaps.

Protein Rad51 memfasilitasi pembentukan koneksi fisik antara DNA penyerang dan DNA tempered. Dalam proses ini DNA heteroduplex dihasilkan.

Rad51, dan homolognya RecA, mengkatalisasi pencarian DNA homolog dan pertukaran untai DNA. Protein ini memiliki kemampuan untuk mengikat secara kooperatif dengan satu pita DNA.

Ada juga gen paralogical (berasal dari peristiwa duplikasi gen dalam garis keturunan organisme) dari Rad51, yang disebut Rad55 dan Rad57. Pada manusia, lima gen paralog Rad51 yang disebut Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2, dan Xrcc3 telah diidentifikasi.

Kelainan yang terkait dengan proses rekombinasi

Karena rekombinasi membutuhkan pengikatan fisik pada kromosom, ini merupakan langkah penting dalam segregasi yang benar selama meiosis. Jika rekombinasi yang memadai tidak terjadi, hasilnya bisa menjadi patologi penting.

Non-disjungsi kromosom atau kesalahan dalam segregasi adalah salah satu penyebab paling sering aborsi dan anomali yang berasal dari kromosom, seperti trisomi kromosom 21, yang menyebabkan sindrom Down.

Meskipun rekombinasi biasanya merupakan proses yang cukup tepat, wilayah genom yang diulang dan gen yang memiliki banyak salinan di sepanjang genom adalah elemen yang rentan terhadap crossover yang tidak setara .

Perkawinan campuran ini menghasilkan gambaran klinis yang berbeda, termasuk penyakit yang sering terjadi seperti talasemia dan autisme.

Aplikasi rekombinasi

Ahli biologi molekuler telah mengambil keuntungan dari pengetahuan tentang mekanisme rekombinasi homolog untuk penciptaan berbagai teknologi. Salah satunya memungkinkan terciptanya organisme " KO ".

Organisme yang dimodifikasi secara genetik ini memungkinkan untuk menjelaskan fungsi gen yang diinginkan.

Salah satu metodologi yang digunakan untuk pembuatan KO terdiri dari penindasan ekspresi gen spesifik menggantikan gen asli dengan versi yang dimodifikasi atau "rusak". Gen dipertukarkan dengan versi mutasi melalui rekombinasi homolog.

Jenis-jenis rekombinasi lainnya

Selain rekombinasi homolog atau sah, ada jenis lain pertukaran materi genetik.

Ketika daerah DNA yang bertukar materi adalah non-allelic (dari kromosom homolog) hasilnya adalah duplikasi atau pengurangan gen. Proses ini dikenal sebagai rekombinasi non-homolog atau rekombinasi yang tidak setara.

Bersama-sama, materi genetik juga dapat ditukar antara kromatid saudara perempuan dari kromosom yang sama. Proses ini terjadi di divisi meiotik dan mitosis, dan disebut pertukaran yang tidak setara.