Homolog rekombination , eller allmän rekombination [1] , är en typ av genetisk rekombination under vilken utbytet av nukleotidsekvenser sker mellan två liknande eller identiska kromosomer . Detta är den mest använda metoden av celler för att reparera dubbel- eller enkelsträngad DNA -skada . Homolog rekombination skapar också en mängd genkombinationer under meios , vilket ger en hög nivå av ärftlig variabilitet , vilket i sin tur gör det möjligt för befolkningen att bättre anpassa sig underevolution [1] . Olika stammar och arter av bakterier och virus använder homolog rekombination i processen för horisontell genöverföring .
Även om mekanismen för homolog rekombination (HR) varierar mycket mellan olika organismer och celltyper, är den ofta baserad på samma mekanism. Att bryta två DNA-strängar gör att 5'-ändarna omedelbart intill skadan tas bort. Nästa steg är att infoga eller invadera 3'-änden av den skadade strängen i ett annat, intakt DNA, som används som mall. Den ytterligare händelseförloppet kan följa två vägar (beskrivna nedan), kända som DSBR eller SDSA. Homolog rekombination som sker under DNA-reparation resulterar vanligtvis i att molekylen återställs i samma form som den var innan skadan.
Eftersom GR-fenomenet kan spåras i alla tre domäner av levande natur, såväl som i virus, kan det betraktas som en universell biologisk mekanism. Upptäckten av GR-gener i protister , en mångsidig grupp av eukaryota mikroorganismer , har tolkats som bevis på att meios uppstod tidigt i eukaryotisk evolution. Eftersom störningen av dessa gener ofta är förknippad med förekomsten av flera typer av cancer , är proteinerna som kodas av dessa gener och involverade i GH-processen föremål för aktiv forskning. Genetisk inriktning bygger också på homolog rekombination, en process där konstgjorda förändringar görs i genomet hos en organism. Mario Capecchi , Martin Evans och Oliver Smithies tilldelades 2007 års Nobelpris i fysiologi eller medicin för utvecklingen av denna teknologi . Capecchi [2] och Smithies [3] upptäckte oberoende av varandra ett sätt att redigera genomen av musembryonala stamceller , men de mycket konserverade mekanismerna som ligger till grund för reparationen av DNA-skador, inklusive införandet av en förändrad gensekvens under genterapi , var först studerat i experiment med plasmider utförda av Orr-Weaver, Shostak och Rothstein [4] [5] [6] . Studiet av plasmider bestrålade med γ-strålning [7] ledde till experiment där kromosomer skars ut med hjälp av endonukleaser för behoven av genteknik av däggdjursceller , där icke-homolog rekombination är vanligare än i jäst [8] .
I början av 1900-talet hittade William Bateson och Reginald Pannet ett undantag från en av Mendels lagar , som ursprungligen beskrevs av Gregor Mendel på 1860-talet. I motsats till Mendels idé om att egenskaper ärvs oberoende när de överförs till avkommor, har Bateson och Punnett visat att vissa gener associerade med fysiska egenskaper kan ärvas ihop, eller genetiskt kopplade [9] [10] . 1911, när det stod klart att länkade egenskaper ibland kunde överföras separat, föreslog Thomas Hunt Morgan att korsning sker mellan länkade gener [11] , under vilken en av de länkade generna fysiskt överförs till en annan kromosom . Tjugo år senare bevisade Barbara McClintock och Harriet Creighton att utbytet av kromosomregioner sker under meios [12] [13] , vanligtvis förknippat med bildandet av könsceller . Samma år som McClintocks upptäckt gjordes visade Kurt Stern att korsning även kan förekomma i somatiska celler , såsom leukocyter och hudceller , som genomgår mitos [12] [14] .
1947 visade mikrobiologen Joshua Lederberg att bakterier som endast skulle föröka sig genom binär fission hade en förmåga till genetisk rekombination som mer liknade sexuell reproduktion . Detta arbete baserades på studien av E. coli Escherichia coli [15] , och för det belönades Lederberg med Nobelpriset i fysiologi eller medicin 1958 [16] . År 1964, baserat på studien av svampar , föreslog Robin Holliday en modell för rekombination i meios, som inkluderade alla nyckelaspekter av denna process, inklusive utbyte av genetiskt material mellan kromosomer genom bildandet av Holliday-strukturen [17] . 1983 presenterade Jack Szostak och hans kollegor en annan modell, nu känd som DSBR -vägen (dubbelsträngsbrottsreparation ) , som förklarade detaljerna som Hollidays modell [17] [6] inte kunde förklara . Under de kommande tio åren, som ett resultat av experiment på Drosophila , jäst och däggdjursceller, upptäcktes en annan typ av homolog rekombination, inte alltid efter Holliday-modellen, som kallades syntesberoende stränghybridisering (SDSA ) [17] .
Homolog rekombination är väsentlig vid celldelning av eukaryoter: växter , djur , svampar och protister. I celler som delar sig med mitos är GH ett verktyg för att reparera DNA-skador orsakade av joniserande strålning eller kemikalier [18] . Om de inte repareras kan dessa skador leda till storskalig omarrangemang av kromosomer i somatiska celler [19] och sedan till cancer [20] .
Förutom att reparera skador ger GH genetisk mångfald under meiotisk delning, följt av bildandet av könsceller och sporer. Den centrala rollen här spelas av överkorsning, som ett resultat av vilket kromosomerna utbyter DNA-segment [21] [22] . Detta ger upphov till nya, möjligen fördelaktiga kombinationer av gener som kan ge avkomma en evolutionär fördel [1] . Oftast börjar överkorsning när Spo11 -proteinet gör riktade dubbla skärningar i DNA-strängen [23] på ett väldefinierat sätt, främst i promotorer och GC-rika regioner [24] . Typiskt är dessa regioner belägna vid så kallade rekombinationshotspots, regioner med ungefär 1000-2000 baspar som har en hög rekombinationsfrekvens. Frånvaron av hot spots bredvid två gener på samma kromosom innebär ofta att dessa gener kommer att ärvas av framtida generationer i lika stora proportioner [25] .
Dubbla DNA-strängbrott kan repareras antingen genom homolog rekombination eller icke-homolog ändfogning (NJC). NSC är en reparationsmekanism som, till skillnad från GR, inte kräver en homolog mall. Valet av en av dessa två reparationsmekanismer bestäms till stor del av fasen i cellcykeln . GR är möjligt under S-fasen och G2-stadiet av cellcykeln, när systerkromatider används som en intakt homolog mall [1] . Jämfört med homologa kromosomer , som bär samma gener men olika alleler , är systerkromosomer helt identiska med varandra och är idealiska mallar för rekombination. I sin tur uppstår NSC under G1 -fasen av cellcykeln, när cellen växer men kromosomerna ännu inte har replikerats. Utanför G1-fasen är frekvensen av NSC mycket lägre, men dess sannolikhet kvarstår under hela cellcykeln. Mekanismerna som reglerar både GH och NSC under hela cykeln varierar kraftigt mellan arter [26] .
Cyklinberoende kinaser (cdks), som förändrar aktiviteten hos andra proteiner genom fosforylering , spelar en viktig roll i regleringen av GR-processen i eukaryoter [26] . I spirande jäst , när DNA-replikation börjar, utlöser cyklinberoende kinaser GR genom fosforylering av Sae2- proteinet [27] . Aktiverat på detta sätt använder Sae2 endonukleaser för att göra ett exakt dubbelsträngat snitt i DNA, varefter det trekomponents heterodimera proteinet MRX binder till DNA och påbörjar en proteindriven reaktion för att utbyta genetiskt material mellan två DNA-molekyler [28] .
Utlösningen av NHEJ-vägen börjar med rekryteringen av proteinet 53BP1 till det skadade området , vilket främjar ytterligare reparation av dubbelsträngbrottet längs NHEJ-vägen. Fram till ögonblicket för att klippa ändarna är byte till homolog rekombination möjlig, vilket uppnås genom att attrahera 53BP1-antagonistproteinet - BRCA1 till det skadade området . Om BRCA1 förskjuter 53BP1, kommer dubbelsträngbrottet att repareras genom homolog rekombination [29] . Förutom 53BP1 och BRCA1, är RIF1- proteiner och CtIP, ett nukleas involverat i terminering vid de första stadierna av homolog rekombination, involverade i valet av en väg för att reparera ett dubbelsträngsbrott. Således styr 53BP1 och RIF1 reduktionen längs den icke-homologa ändanslutningsvägen, medan BRCA1 och CtIP styr reduktionen längs den homologa rekombinationsvägen [30] .
Homolog rekombination för att reparera dubbelsträngsbrott kan endast användas i S- och G2-faserna , när en mall för reparation uppträder som ett resultat av DNA-fördubbling (därför är NHEJ, som är aktiv under hela cellcykeln, den huvudsakliga mekanism för att reparera dubbelsträngsbrott i däggdjursceller). Undantag är regioner av genomet som innehåller upprepningar, såsom upprepningar av gener som kodar för rRNA (rDNA). I rDNA är mallen för att reparera ett dubbelsträngat brott i upprepningen tillgänglig under hela cellcykeln ; det kan vara vilken annan upprepning som helst. När det gäller rDNA elimineras små lesioner snabbt av NHEJ inuti nukleolen (NHEJ-flödestiden är cirka 30 minuter och homolog rekombination är cirka 7 timmar), medan stora och komplexa lesioner rör sig tillsammans med proteinerna i fibrillärcentra och den täta fibrillära komponenten till periferin, som bildar den så kallade nukleolära hatten. I det nukleolära locket inträffar alla utom de allra första stadierna av homolog rekombination, med rDNA-upprepningar närmar sig, vilket främjar rekombination. NHEJ förekommer inte i nukleolära lock [31] . Valet av en dubbeltrådig brottreparationsväg påverkas också av skadans komplexitet. NHEJ används vanligtvis för att reparera mindre lesioner [32] .
Två huvudmekanismer för homolog rekombination är kända: DSBR-vägen (dubbelsträngsbrottsreparation), även känd som Hollidays dubbelstrukturmodell, och den syntesberoende strängglödgningsvägen (SDSA) [33] . Båda börjar på samma sätt. När ett dubbelsträngsbrott i kedjan detekteras, står MRX-proteinkomplexet (i humant MRN ) på vardera sidan av brottet, följt av 5'-terminal trunkering i två separata steg. Det första steget är att MRX parat med Sae2-proteinet skär 5'-ändarna av strängen nära brottet och lämnar 3'-ändarna utskjutande. Det andra steget av 5' → 3'-skärning fortsätter av helikasen Sgs1 och nukleaserna Exo1 och Dna2 . Sgs1 "låser upp" den dubbla helixen, medan Exo1 och Dna2 skapar avbrott i det enkelsträngade DNA som frigörs av Sgs1 [27] .
Replikativt protein A (RPA), som har hög affinitet för enkelsträngat DNA, binder de utskjutande 3'-ändarna [34] och med hjälp av ett antal andra proteiner som förmedlar processen, såsom Rad51 (och Dmc1 i meios), bildar komplex med enkelsträngat DNA som täcker det. Nukleoproteinsträngen söker sedan efter en liknande eller identisk DNA-sträng och infogar sig själv i den när den hittar den. I celler som delar sig med mitos är "offret" för introduktionen (mottagande DNA-duplex) vanligtvis en systerkromatid som är identisk med det skadade DNA:t, som oftast används som mall för reparation. Vid meios är dock mottagarens DNA-duplex en homolog kromosom, som är mycket lik, men inte nödvändigtvis identisk med, den skadade kromosomen [33] .
Under stränginvasion bildas en D-loop mellan den utskjutande 3'-änden av den invaderande strängen och den homologa kromosomen . DNA-polymeraset förlänger sedan 3'-ändarna . Den resulterande korsstrukturen kallas Holliday-strukturen . Efter detta sker DNA- syntes på den infogade strängen (det vill säga på en av de utskjutande 3'-ändarna) , vilket effektivt återställer den komplementär till den homologa kromosomen på den plats från vilken D-slingan förflyttades [33] .
Reparation av dubbelsträngsbrottEfter avskärning, införande av strängen i den intilliggande kromosomen och DNA-syntes genom DNA-polymeras, blir skillnaderna mellan dubbelsträngsbrottsreparation (DSBR) och syntesberoende sträng-annealing (SDSA) mer distinkta [33] . DSBR-vägen är unik genom att den andra överhängande 3'-änden (som inte deltog i infogningen) också bildar en Holliday-struktur med en homolog kromosomkedja. Vidare blir Holliday-dubbelstrukturen en rekombinationsprodukt under verkan av nicking-endonukleaser - restriktaser som introducerar ett brott i endast en DNA-sträng. DSBR innebär vanligtvis en crossover, även om slutprodukten ibland kan vara annorlunda (inte korsad). Med hjälp av plasmider och endonukleaser, med exemplet med spirande jästmitos, visades förmågan hos en skadad nukleotidkedja att acceptera nukleotidsekvenser från andra DNA-molekyler [35] [36] . På grund av tendensen till överkorsning kan DSBR-vägen troligen betraktas som en modell för överkorsning som sker under meios [21] .
Huruvida DSBR kommer att passera eller inte bestäms av hur Holliday-strukturen skärs eller "löses". Överkorsning kan inträffa om en Holliday-struktur skärs längs de korsande strängarna och den andra inte. En produkt som inte har genomgått crossover kommer att erhållas endast om båda strukturerna löses upp längs korsande strängar [1] .
Syntesberoende kedjeglödgningHomolog rekombination av SDSA ( syntesberoende sträng-annealing ) leder till bildandet av kromosomer som inte har genomgått processen att korsa över. För det första följer SDSA det klassiska scenariot: en av de skadade DNA-strängarna införs i mallmolekylen, förskjuter den andra strängen från den senare, vilket resulterar i bildandet av en D-loop och Holliday-strukturen. Vidare förlänger DNA-polymeraset den infogade strängen komplementärt till mallmolekylen, och samtidigt syntetiseras resten av det skadade DNA:t komplementärt till den förskjutna strängen. I det här fallet är processen med grenpunktsmigrering möjlig när skärningspunkten för kedjor som hör till rekombinerande DNA börjar röra sig mellan dem. Ibland, i processen för fusion av nysyntetiserade strängar med en DNA-molekyl, kan sektioner dyka upp som bryter ut ur duplexen (dubbelhelix), såväl som andra möjliga luckor och luckor. Alla av dem är framgångsrikt exciderad och elimineras under ligeringsprocessen, varefter rekombinationen kan anses vara fullständig [37] .
Under mitos är det SDSA-vägen som är den huvudsakliga GR-vägen för reparation av DNA-dubbelsträngsbrott [38] Men under meios sker ofta homolog rekombination utan överkorsning, vilket troligen är ett exempel på reparation av olika typer av skador [38] [39] .
EnkelkedjeglödgningDen enkelsträngade hybridiseringsvägen (SSA ) [40] är unik genom att den, till skillnad från DSBR och SDSA, inte kräver närvaron av andra DNA-molekyler i processen för homolog rekombination . Eftersom sektionerna av kedjan, som kännetecknas av SSA, består av upprepade sekvenser av nukleotider , används samma sekvenser som mallar från vilka den saknade delen av kedjan är uppbyggd. SSA följer ett relativt enkelt mönster: efter att ha klippt av 5'-ändarna av den skadade delen av kedjan, närmar sig de återstående utskjutande 3'-ändarna och splitsar med varandra, vilket återställer DNA:t till dess tidigare form [37] [41] .
När delar av skadat DNA trimmas, binder de resulterande 3'-ändarna till replikativt protein A, vilket förhindrar dem från att paras ihop med varandra [42] . Rad52 [ proteinet anpassar sedan båda strängarna för att tillåta komplementära sekvenser att bilda bindningar med varandra [42] . Vänsterhänta, icke-homologa DNA-sträckor som flyr från huvudduplexet klipps av av en uppsättning nukleaser som kallas Rad1/Rad10, som nås av Saw1- och Slx4 -proteinerna [42] [43] . Detta följs av ligering, som fyller ut eventuella kvarvarande luckor i DNA:t [44] . SSA-processen anses vara mutagen , eftersom den resulterar i förlust av en del av det DNA där reparationen ägde rum [37] .
Avbrottsinducerad replikeringDubbelsträngsbrott kan ibland uppstå under DNA-replikation vid den så kallade replikationsgaffeln , som bildas när helikasen "låser upp" DNA-molekylen. Sådan skada repareras genom break -induced replikation (BIR ), en annan typ av homolog rekombination vars exakta molekylära mekanismer fortfarande är oklara. För närvarande har tre möjliga varianter föreslagits, och de börjar alla på samma sätt: en av de skadade DNA-strängarna invaderar grannmolekylen, men mekanismen för bildandet av D-loopen och det vidare händelseförloppet är olika för dem [ 45] .
Det är känt att BIR-vägen också kan bibehålla telomerlängden i frånvaro av (eller i samband med) telomeras . Utan ett fungerande telomeras blir telomererna kortare med varje mitoscykel, vilket i slutändan blockerar cellcykeln och leder till cellåldring . I spirande jäst, där telomeras inaktiverades av mutationer, observerades två typer av överlevande celler som lyckades undvika senescens mycket längre genom att bibehålla telomerlängden med BIR [45] .
Att bibehålla längden på telomerer är extremt viktigt för att säkerställa cellulär odödlighet, till exempel för cancerceller. De flesta cancerceller undviker kritisk telomerförkortning genom höga nivåer av telomerasuttryck . Det finns dock cancer där tumörbildningen stöds av alternativa sätt att upprätthålla telomerlängden [46] . Detta faktum har fått forskare att fokusera på frågan om alternativa mekanismer som upprätthåller telomerlängden kan förneka effekten av vissa anticancerläkemedel, såsom telomerashämmare [ 47] .
Även om bakteriell homolog rekombination skiljer sig från den för eukaryoter, ger den på liknande sätt bakterier med genetisk mångfald och är deras huvudsakliga DNA-reparationsmekanism. GR-processen studeras bäst i E. coli [50] . Dubbelsträngad och enkelsträngad bakteriell DNA-skada repareras på två olika sätt: RecBCD och RecF , respektive [51] . Båda dessa metoder involverar en serie reaktioner som kallas grenpunktsmigrering , under vilka två dubbelsträngade DNA-molekyler utbyter en av sina strängar, och upplösning, där de två korsningsmolekylerna skärs isär och återställs till sin normala dubbel-. strandat tillstånd..
RecBCD -vägen är den huvudsakliga rekombinationsvägen i bakterier som reparerar många dubbelsträngsbrott orsakade av ultraviolett och andra typer av strålning, såväl som av olika kemikalier [52] [53] [54] . Dubbelsträngade lesioner uppstår ofta under DNA-replikation från enkelsträngsbrott, vilket leder till kollapsen av replikationsgaffeln, och repareras av flera GR-vägar, inklusive RecBCD [55] .
RecBCD-enzymet med tre subenheter initierar rekombination genom att binda till den trubbiga eller nästan trubbiga änden av DNA- (den trubbiga änden är där ingen av de två strängarna sticker ut utanför molekylen). Vidare lindar RecB- och RecD-subenheterna, som har helikasaktivitet, upp duplexet, medan RecB också kan fungera som ett nukleas. Duplexet lindas av tills RecBCD möter en specifik nukleotidsekvens (5'-GCTGGTGG-3'), känd som Chi-platsen [54] .
Kollision med Chi-stället förändrar dramatiskt aktiviteten hos RecBCD-enzymet [53] [48] [56] . Avlindningen av kedjan fryser i några sekunder och fortsätter sedan med en hastighet som är ungefär hälften så snabb som i början. Detta beror troligen på det faktum att efter Chi-stället tvinnas DNA upp av RecB-helikasen, vilket är långsammare än RecD, som lindar upp DNA till Chi-stället [57] [58] . Igenkänning av Chi-stället gör att RecBCD bryter strängen som innehåller Chi-stället och börjar ladda RecA -proteiner vid den nybildade 3'-änden. Den resulterande nukleoproteinsträngen letar efter en liknande DNA-sekvens på den homologa kromosomen och sätts in i den. Sökprocessen orsakar sträckning av DNA-duplexet, vilket förbättrar homologisk igenkänning ( en mekanism som kallas konformationell korrekturläsning ) [59] [60] [61] . Införandet av ett nukleoproteinfilament förskjuter en av kedjorna i duplexen av den homologa kromosomen och en D-loop bildas, vars ytterligare skärning kommer att leda till utseendet av Holliday-strukturen [54] . Om de två interagerande molekylerna skiljer sig åt, skapar strukturupplösning av RuvABC- eller RecG-proteiner två rekombinanta DNA-molekyler av olika genetiska typer (ömsesidig mekanism). Men ett alternativt händelseförlopp är också möjligt: införandet av en 3'-nukleoproteinkedja med ett Chi-ställe i slutet kan provocera fram DNA-syntes och bildandet av en replikationsgaffel, men som ett resultat, endast en typ av rekombinant DNA bildas (icke-reciprok mekanism) [48] .
RecF-vägen används av bakterier för att reparera enkelsträngade lesioner, men när mutationer inaktiverar RecBCD-proteinet och SbcCD- och ExoI-nukleaserna kan dubbla brott i DNA också repareras på detta sätt [62] . Under RecF lindar RecQ -helikaset upp DNA:t och RecJ-nukleaset förstör strängen som är vänd mot 5'-änden av enzymet och lämnar strängen som är vänd mot 3'-änden intakt. Vidare sitter många RecA-proteiner på denna kedja med hjälp av proteiner som RecF, RecO och RecR. Den resulterande nukleoproteinsträngen söker efter en homolog DNA-mall och byter med den en identisk eller ungefär identisk nukleotidsekvens [63] .
Även om proteinerna och specifika mekanismer som är involverade i RecBCD- och RecF-vägarna är olika, är båda vägarna baserade på infogningen av ett 3'-riktat nukleoprotein och båda involverar processer som grenpunktsmigrering, bildning av Holliday-strukturen och upplösning av detta strukturera både ömsesidigt och icke ömsesidigt typ [64] [63] .
Omedelbart efter introduktionen av kedjan börjar den resulterande Holliday-strukturen att röra sig längs DNA-duplexen, mellan vilka baspar byts ut i detta ögonblick . För att katalysera grenmigrering känner RuvA -proteinet igen och binder till Holliday-strukturen, varefter det rekryterar RuvB-proteinet till processen och bildar RuvAB-komplexet. De två uppsättningarna av RuvB-proteiner, som var och en bildar cirkulära ATPaser , laddas på motsatta sidor av Holliday-strukturen, där de fungerar som två energipumpar för den förgrenade migrationsprocessen. Därefter sätts två uppsättningar RuvA-proteiner ihop mellan RuvB-ringarna i mitten av Holliday-strukturen på ett sådant sätt att DNA:t i strukturen är inklämt mellan dem. Två rekombinerande duplex varvar under verkan av RuvA och utbyter nukleotidsekvenser [65] [66] .
Vid rekombinationsupplösningsstadiet klyvs alla Holliday-strukturer som bildas under införandet av strängen på ett visst sätt, vilket separerar två DNA-molekyler. Denna klyvning utförs genom att RuvAB interagerar med RuvC, som tillsammans bildar RuvABC-komplexet. RuvC är ett endonukleas som skär ut den degenererade nukleotidsekvensen 5'-(A/T)TT(G/C)-3', som förekommer i DNA ungefär en gång var 64:e nukleotid [66] . Innan den skärs får RuvC sannolikt tillgång till Holliday-strukturen genom att förskjuta en av de två RuvA- tetramererna , som täcker DNA:t på den platsen [65] . Som ett resultat av rekombination bildas antingen en splitsningsprodukt eller en lappprodukt, beroende på hur Holliday-strukturen skars av RuvC-proteinet [66] . En splitsningsprodukt är en som har genomgått en överkorsningsprocess där en omarrangering av det genetiska materialet har skett runt hela rekombinationsstället. Patchprodukter genomgår inte crossover och endast en liten del av kedjan omarrangeras [67] .
Homolog rekombination är en viktig metod för att integrera donator-DNA i mottagargenomet under horisontell genöverföring . Vanligtvis sker rekombination vid horisontell genöverföring endast mellan liknande bakterier, eftersom det kräver att donatorns och mottagarens DNA är mycket lika [68] . Studier gjorda på flera typer av bakterier har fastställt att det finns ett samband mellan skillnaden i donatorns och mottagarens DNA-sekvenser och frekvensen av rekombinationer. Det senare är ju lägre, desto större är skillnaden i arvsmassan hos givaren och mottagaren [69] [70] [71] .
Vid bakteriell konjugering , där DNA överförs mellan bakterier genom direkt cell-till-cell-kontakt, främjar homolog rekombination integreringen av främmande DNA i genomet via RecBCD-vägen. RecBCD-enzymet främjar rekombination efter att DNA:t omvandlats från den enkelsträngade formen som det ursprungligen kom in i bakterien till den dubbelsträngade formen under replikering. RecBCD krävs också för det sista steget av transduktion , då horisontell genöverföring mellan bakterier utförs med hjälp av ett bakteriofagvirus . Bakteriellt DNA bärs av viruset i kapsidhuvudet , där det ibland kan felpaketeras på samma sätt som virus-DNA packas under fagreplikation. När ett virus infekterar en annan bakterie kommer DNA från den tidigare värdbakterien in i cellen redan i form av en dubbelspiral, där det inkorporeras av RevBCD-enzymet i den nya värdens genom [54] .
Naturlig bakterietransformation innebär överföring av DNA från en donatorbakterie till en mottagarbakterie, där både donator och mottagare vanligtvis är av samma art . Transformation, till skillnad från bakteriell konjugation och transduktion, beror på många bakteriella genprodukter som specifikt interagerar under processen [72] . Således är transformation helt klart en bakteriell anpassningsmekanism för DNA-överföring. För att en bakterie ska kunna ta och integrera en givares DNA i en kromosom genom homolog rekombination måste den först gå in i ett speciellt fysiologiskt tillstånd som kallas kompetens. RecA/Rad51/DMC1-proteinfamiljen spelar en central roll i homolog rekombination under transformation, vilket sker vid eukaryot meios och mitos. Till exempel krävs RecA-proteinet för transformation i bakterier som Bacillus subtilis och Streptococcus pneumoniae [73] .
Som en del av transformationsprocessen interagerar RecA-proteinet med det inkommande enkelsträngade DNA:t (ssDNA) i form av RecA/ssDNA nukleofilamentet, som skannar den lokala kromosomen för att identifiera homologa regioner och för ssDNA till dem, där homolog rekombination sker [74] .
Homolog rekombination är karakteristisk för flera grupper av virus. I DNA från virus som herpesvirus sker rekombination på samma sätt som i eukaryoter och bakterier [75] . Det är känt att RNA-innehållande virus kan ha ett genom med positiv polaritet eller negativ polaritet . Det finns bevis för rekombination i virus vars genom representeras av enkelsträngat RNA med positiv polaritet, såsom retrovirus , picornavirus och koronavirus , men det är inte känt om homolog rekombination förekommer i RNA-virus med negativ polaritetsgenom, till exempel i influensaviruset [ 76] .
Rekombination i RNA-virus kan vara exakt eller felaktig. I det första fallet, vid RNA-RNA-rekombination, finns det ingen skillnad mellan de två parentala RNA-sekvenserna, såväl som i korsningen som resulterar från rekombinationsprocessen. På grund av detta är det ofta svårt att bestämma platsen för korsningssekvenser. Vid oprecis rekombination är korsning mycket lättare att bestämma, eftersom tillägg av nya nukleotider, deletion och andra modifieringar kan spåras. Graden av noggrannhet av processen beror på sekvensen av rekombinerande RNA-molekyler: en sekvens rik på adenin och uracil minskar noggrannheten vid korsning [77] [78] .
Homolog rekombination är viktig för utvecklingen av virus [77] [79] . Till exempel, om genomen från två virus med olika ogynnsamma mutationer genomgår rekombination, då kan de bilda ett annat, fullt fungerande genom, och i fallet när två liknande virus infekterar samma cell, kan deras homologa rekombination leda till en framgångsrik gen utbyta och därigenom skapa kraftfullare versioner av sig själva [79] .
Dessutom har homolog rekombination föreslagits som en mekanism genom vilken det DNA-innehållande humana herpesvirus-6 integreras i humana telomerer [80] .
När två eller flera virus, som vart och ett innehåller dödlig genomskada, infekterar samma värdcell, parar sig virusgenomen ofta med varandra och genomgår reparation, vilket skapar en livskraftig dotterfag. Denna process, känd som reaktiveringsveck, har studerats i flera bakteriofager, inklusive T4-fagen [81] . Enzymerna som är involverade i T4-fagreparationsprocessen är funktionellt homologa med bakteriella och eukaryota enzymer [82] . För genen som krävs för strängbytesreaktionen, ett nyckelsteg i homolog rekombinant reparation, finns det funktionell homologi från virus till människor ( uvsX i T4-fag; RecA i E. coli och andra bakterier, och rad51 och dmc1 i jäst och andra eukaryoter , inklusive person) [83] . Mångfald av reaktivering har också visats i många patogena virus [84] .
Utan korrekt homolog rekombination är kromosomerna ofta felinriktade under den första fasen av meios, vilket orsakar nondisjunction och felinställning av kromosomerna. I sin tur kan icke-disjunktion göra att spermierna eller ägget har för få eller för många kromosomer. Downs syndrom , som orsakas av en extra kopia av kromosom 21, är bara en av många störningar som är resultatet av ett sådant misslyckande av GH-processen i meios [66] [85] .
Karcinogenes hos människor är ofta resultatet av defekter i mekanismen för homolog rekombination. Till exempel orsakas sjukdomar som Blooms syndrom , Werners syndrom och Rothmund -Thompsons syndrom av funktionsfel i de gener som kodar för proteiner som är involverade i regleringen av GH-processen: BLM , WRN respektive RECQ4 [86] . I cellerna hos patienter med Blooms syndrom, som inte har en arbetskopia av BLM-proteinet, är graden av homolog rekombination ökad jämfört med normen [87] . Experiment i möss med BLM-brist har föreslagit att denna mutation orsakar cancer genom förlust av heterozygositet orsakad av en ökad nivå av homolog rekombination [88] . Förlust av heterozygositet är förlusten av en av allelerna för en viss gen. Om den förlorade allelen bidrar till tumörsuppression, såsom retinoblastomproteingenen , kan denna förlust av heterozygositet leda till cancer [1] .
Effektiviteten av DNA-reparation minskar med en minskning av graden av homolog rekombination [1] , vilket också kan leda till cancer [89] , till exempel i fallet med BRCA1 och BRCA2 , två liknande tumörsuppressorer , vars funktionsfel är associerat med en signifikant ökad sannolikhet för bröstcancer och äggstockar . Celler med denna funktionsfel har en minskad nivå av homolog rekombination och en större känslighet för joniserande strålning , vilket oundvikligen innebär en ökad känslighet för cancer [89] . Eftersom den enda kända funktionen av BRCA2 är att underlätta initieringen av homolog rekombination, föreslog forskarna att en mer detaljerad studie av detta protein kan vara nyckeln till att förstå orsakerna till bröst- och äggstockscancer [89] .
Även om mekanismen genom vilken rekombination sker varierar kraftigt, finns den i livets alla områden [90] . Baserat på likheten mellan deras aminosyrasekvenser kan homologer av ett antal proteiner hittas i olika livsdomäner, vilket visar att de dök upp för mycket länge sedan och har sedan dess utvecklats från vanliga proteinförfäder [90] .
RecA-familjen av rekombinasproteiner finns i nästan alla organismer: RecA i bakterier, Rad51 och DMC1 i eukaryoter, RadA i archaea och UvsX i T4-fagen [91] . I alla tre domänerna kan relaterade proteiner spåras som binder enkelsträngat DNA , som spelar en roll i rekombination och många andra processer [92] ; Rad54, Mre11 , Rad50 och ett antal andra proteiner har också hittats i archaea och eukaryoter [90] [91] [93] .
RecA-familjens proteiner tros ha härstammat från en gemensam rekombinasförfader. Denna familj inkluderar RecA-proteiner från bakterier, Rad51- och Dmc1-proteiner från eukaryoter och RadA-proteiner från archaea och ett antal paralogproteiner . Modelleringsstudier av evolutionära samband mellan Rad51, Dmc1 och RadA tyder på att de delar en gemensam molekylär förfader. Inom denna proteinfamilj är Rad51 och Dmc1 grupperade i en separat kladd från RadA . En anledning till att gruppera dessa tre proteiner är att de alla har ett modifierat helix -turn-helix-motiv som hjälper proteiner att binda till DNA mot deras N-terminal [90] . En gammal eukaryotisk RecA- duplicering och efterföljande mutationer har föreslagits som det troliga ursprunget till de moderna Rad51- och Dmc1-generna [90] .
Dessa proteiner har vanligtvis långa konserverade sekvenser kända som RecA/Rad51- domänen , som innehåller två motivsekvenser : Walker-A-motivet och Walker-B-motivet . A- och B-motiv tillåter medlemmar av RecA/Rad51-domänen att binda och hydrolysera ATP [90] [94] .
Upptäckten av Dmc1-proteinet i flera Giardia -arter , en av de första protozoiska eukaryoterna, tyder på att meiotisk homolog rekombination, och därmed meios själv, uppstod mycket tidigt i eukaryot evolution [95] . Förutom studier på Dmc1 har studier på Spo11-proteinet gett information om ursprunget till meiotisk rekombination [96] . Spo11 ( typ II topoisomeras ) kan initiera homolog rekombination under meios genom att skapa riktade dubbelsträngsbrott i DNA [23] . Fylogenetiska träd baserade på Spo11-gensekvensen liknar djur, svampar , växter , protister och archaea, och har fått forskare att tro att den moderna versionen av Spo11 dök upp i den sista gemensamma förfadern till eukaryoter och archaea [96] .
Många metoder för att introducera DNA-sekvenser i en organism för att skapa rekombinant DNA och genetiskt modifierade organismer använder processen av homolog rekombination [97] . Även kallad genetisk inriktning , tekniken är särskilt vanlig inom jäst- och musgenetik . Den genetiska inriktningsmetoden i knockout (genetiskt modifierade) möss via embryonala stamceller levererar genetiskt material (främst för terapeutiska ändamål) som undertrycker målmusgenen genom principen om homolog rekombination. Musen fungerar alltså som en arbetsmodell för att förstå hur specifika däggdjursgener fungerar. Mario Capecchi , Martin Evans och Oliver Smithies tilldelades 2007 års Nobelpris i fysiologi eller medicin för att ha upptäckt hur homolog rekombination kan användas för att redigera musgenomet [98] .
Framsteg inom genetisk inriktningsteknologi som använder mekanismen för homolog rekombination har lett till utvecklingen av en ny våg av mer exakta isogena modeller av mänskliga sjukdomar (det vill säga celler utvalda eller designade för att skapa en mer exakt genetisk modell av ärftliga sjukdomar ) . Dessa konstruerade mänskliga cellmodeller återspeglar mer exakt sjukdomens genetik än deras musföregångare, till stor del beroende på intresset för endogena mutationer som uppstår på samma sätt som de gör hos riktiga patienter, och det faktum att de är baserade på mänskligt genom , inte i musen. Dessutom tillåter vissa teknologier användningen av knock-in- metoden i specifika mutationer, och inte bara knockout, som var fallet i äldre versioner av genetisk inriktning [99] .
Proteinteknik med homolog rekombination skapar chimära proteiner genom att utbyta fragment av två moderproteiner. Dessa metoder utnyttjar det faktum att rekombination kan leda till en hög grad av sekvensdiversitet samtidigt som proteiners förmåga att vikas bibehålls [100] . Detta står i kontrast till andra proteintekniker, såsom slumpmässig punktmutagenes , där sannolikheten för att bibehålla funktionen hos proteiner minskar exponentiellt när antalet aminosyrasubstitutioner ökar [101] . De skapade chimärerna behåller förmågan att fungera normalt på grund av det faktum att föräldrafragmenten har en hög strukturell och evolutionär konservatism . Dessa rekombinanta byggstenar behåller strukturellt viktiga interaktioner, såsom fysiska kontaktpunkter för aminosyror. Beräkningsmetoder såsom SCHEMA och statistisk associationsanalys (SCA) kan användas för att identifiera strukturella fragment som är lämpliga för rekombination [102] [103] [104] .
Metoder baserade på homolog rekombination används för att skapa nya proteiner [102] . I en studie som publicerades 2007, lyckades forskare skapa en chimär från två enzymer som är involverade i biosyntesen av isoprenoider , en varierad klass av föreningar inklusive hormoner , visuella pigment och vissa feromoner . Chimära proteiner förvärvade förmågan att katalysera viktiga reaktioner av isoprenoid biosyntes , en av de mest olika biosyntetiska vägarna i naturen, en förmåga som saknades i föräldraproteiner [105] . Proteinteknik baserad på rekombination skapar också chimära enzymer med nya funktioner, medlemmar av en grupp proteiner som kallas cytokrom P450- familjen [106] , som i människokroppen är involverad i avgiftning av främmande föreningar som läkemedel, droger, livsmedelstillsatser och konserveringsmedel [21] .
Cancerceller med BRCA-mutationer har avvikelser i processen för homolog rekombination, och läkemedel som utnyttjar dessa brister utvecklas framgångsrikt och används för cancerterapi [107] [108] . Olaparib en PARP1- hämmare , hämmar eller helt stoppar tumörtillväxt i bröst- , äggstockscancer och prostatacancer som orsakas av mutationer i BRCA1- eller BRCA2-gener som krävs för GH. Om BRCA1 eller BRCA2 saknas, bör andra typer av DNA-reparation kompensera för denna brist, såsom basexcisionsreparation (BER) för att reparera skador på replikationsgaffeln, eller icke-homolog ändskarvning vid dubbelsträngsbrott [107 ] . Genom att hämma BER i GH-bristceller aktiverar olaparib principen om syntetisk dödlighet (kombination av två eller flera mutationer som leder till celldöd) för att döda cancerceller. Även om PARP1-hämmare representerar ett nytt tillvägagångssätt för cancerterapi, säger forskare att de kanske inte är effektiva vid behandling av avancerad metastaserande cancer [107] . Cancerceller kan bli resistenta mot PARP1-hämmare om de genomgår en deletion under BRCA2-genmutationen, vilket återställer kapaciteten för homolog rekombination och underminerar effekten av syntetisk dödlighet [109] .
![]() |
---|
DNA-reparation | |
---|---|
Excision reparation |
|
Andra typer av reparationer |
|
Andra proteiner |
|
förordning |
|