Genrecombinatie is de uitwisseling van genetisch materiaal tussen verschillende organismen. Het resulteert in de productie van nakomelingen met combinaties van eigenschappen die verschillen van die van beide ouders. De meeste van deze genetische uitwisselingen vinden van nature plaats.
Hoe het gebeurt
Genrecombinatie begint als gevolg van de scheiding van genen tijdens de vorming van gameten tijdens meiose, bevruchting en kruising. Door kruising kunnen allelen op DNA-moleculen van positie veranderen van het ene homologe chromosoomsegment naar het andere. Recombinatie is verantwoordelijk voor de genetische diversiteit van een soort of populatie.
Chromosoomstructuur
Chromosomen bevinden zich in de celkern. Ze worden gevormd uit chromatine, een massa genetisch materiaal gemaakt van DNA dat strak is gewikkeld rond eiwitten die histonen worden genoemd. Het chromosoom is meestal enkelstrengs en bestaat uit een centromeer gebied dat de lange en korte gebieden met elkaar verbindt.
Duplicatie van chromosomen
Wanneer een cel zijn levenscyclus ingaat, zijn chromosomenworden gedupliceerd door middel van DNA-replicatie ter voorbereiding op deling. Elk gedupliceerd chromosoom bestaat uit twee identieke, zusterchromatiden genoemd. Ze worden geassocieerd met het centromeergebied. Wanneer cellen delen, worden gepaarde sets gevormd. Ze bestaan uit één chromosoom (homoloog) van elke ouder.
Chromosomale uitwisseling
Genrecombinatie tijdens oversteken werd voor het eerst beschreven door Thomas Hunt Morgan. In eukaryoten wordt het mogelijk gemaakt door chromosoomkruising. Het proces van kruising resulteert in het nageslacht met verschillende combinaties van genen en kan nieuwe chimere allelen produceren. Hierdoor kunnen seksueel voortplantende organismen Moeller's ratel vermijden, waarin de genomen van een aseksuele populatie op een onomkeerbare manier genetische deleties accumuleren.
Tijdens profase I zijn de vier chromatiden nauw met elkaar verbonden. In deze formatie kunnen homologe plaatsen op twee moleculen nauw met elkaar paren en genetische informatie uitwisselen. Genrecombinatie kan overal langs het chromosoom plaatsvinden. De frequentie tussen twee punten hangt af van de afstand die ze scheidt.
Betekenis
Het volgen van de beweging van genen als gevolg van cross-overs is zeer nuttig gebleken voor genetici. Dit maakt het mogelijk om te bepalen hoe ver twee genen op een chromosoom van elkaar verwijderd zijn. De wetenschap kan deze methode ook gebruiken om de aanwezigheid van bepaalde genen af te leiden. Eén molecuul in een gebonden paar dient als een marker om de aanwezigheid van de andere te detecteren. Het wordt gebruikt om de aanwezigheid van pathogenen te detecterengenen.
De frequentie van recombinatie tussen twee waargenomen loci is de snijpuntwaarde. Het hangt af van de onderlinge afstand van de waargenomen genetische foci. Voor elke vaste reeks omgevingsomstandigheden is de recombinatie in een bepaald gebied van de bindingsstructuur (het chromosoom) meestal constant. Hetzelfde geldt voor de intersectiewaarde, die wordt gebruikt bij het genereren van genetische kaarten.
Meiose
Chromosomale cross-over omvat de uitwisseling van gepaarde chromosomen die van elke ouder zijn geërfd. Meiose, als basis van gen-recombinatie, speelt een belangrijke rol in dit proces. Moleculaire modellen van dit proces zijn in de loop der jaren geëvolueerd naarmate het bewijsmateriaal zich heeft verzameld. Het nieuwe model laat zien dat twee van de vier chromatiden die aan het begin van meiose (profase I) aanwezig zijn, aan elkaar zijn gekoppeld en in staat zijn om te interageren. Daarin vindt recombinatie van chromosomen en genen plaats. Echter, verklaringen van de adaptieve functie van meiose die uitsluitend gericht zijn op intersectie zijn onvoldoende voor de meeste uitwisselingsgebeurtenissen.
Mitose en niet-homologe chromosomen
In eukaryote cellen kan cross-over ook optreden tijdens mitose. Dit resulteert in twee cellen met identiek genetisch materiaal. Elke kruising die plaatsvindt tussen homologe chromosomen in mitose produceert geen nieuwe combinatie van genen.
Kruising die voorkomt in niet-homologe chromosomen kan een mutatie veroorzaken die bekend staat alstranslocatie. Het treedt op wanneer een segment van een chromosoom zich scheidt van en naar een nieuwe positie op een niet-homoloog molecuul beweegt. Dit type mutatie kan gevaarlijk zijn omdat het vaak leidt tot de ontwikkeling van kankercellen.
Genconversie
Wanneer genen worden getransformeerd, wordt een deel van het genetische materiaal van het ene chromosoom naar het andere gekopieerd zonder van donor te veranderen. Genconversie vindt plaats met een hoge frequentie op de werkelijke locatie. Dit is het proces waarbij een DNA-sequentie van de ene helix naar de andere wordt gekopieerd. Recombinatie van genen en chromosomen is bestudeerd in schimmelkruisen, waar het handig is om de vier producten van individuele meioses te observeren. Genconversiegebeurtenissen kunnen worden onderscheiden als afwijkingen in individuele celdeling van normale 2:2-segregatie.
Gene-engineering
Genrecombinatie kan kunstmatig en opzettelijk zijn. Het wordt gebruikt op ongelijksoortige DNA-fragmenten, vaak van verschillende organismen. Zo wordt recombinant DNA verkregen. Kunstmatige recombinatie kan worden gebruikt om de genen van een organisme toe te voegen, te verwijderen of te veranderen. Deze methode is belangrijk voor biomedisch onderzoek op het gebied van genetische en eiwittechnologie.
Recombinant herstel
Tijdens mitose en meiose kan DNA dat door verschillende exogene factoren is beschadigd, worden gered door de homologe reparatiestap (HRS). Bij mensen en knaagdieren veroorzaakt een tekort aan de genproducten die nodig zijn voor FGF tijdens meiose onvruchtbaarheid.
Bacteriëntransformatie is het proces van genoverdracht dat gewoonlijk plaatsvindt tussen individuele cellen van dezelfde soort. Het omvat de integratie van donor-DNA in het chromosoom van de ontvanger door middel van gen-recombinatie. Dit proces is een aanpassing om beschadigde cellen te herstellen. Transformatie kan pathogene bacteriën ten goede komen door reparatie van DNA-schade mogelijk te maken die optreedt in de inflammatoire, oxidatieve omgeving geassocieerd met gastheerinfectie.
Als twee of meer virussen, elk met dodelijke genomische schade, dezelfde gastheercel infecteren, kunnen de genomen met elkaar paren en door de FGP gaan om levensvatbare nakomelingen te produceren. Dit proces wordt multipliciteitsreactivering genoemd. Het is onderzocht in verschillende pathogene virussen.
Recombinatie in prokaryote cellen
Prokaryotische cellen ondergaan, net als eencellige bacteriën zonder kern, ook genetische recombinatie. In dit geval worden de genen van de ene bacterie door kruising opgenomen in het genoom van een andere. Bacteriële recombinatie wordt uitgevoerd door de processen van conjugatie, transformatie of transductie.
In conjugatie is de ene bacterie met de andere verbonden via een buisvormige eiwitstructuur. Tijdens het transformatieproces nemen prokaryoten DNA uit de omgeving. Ze komen meestal uit dode cellen.
Bij transductie wordt DNA uitgewisseld via een virus dat bacteriën infecteert, een zogenaamde bacteriofaag. Zodra de vreemde cel door conjugatie, transformatie of transductie is geïnternaliseerd,de bacterie kan zijn segmenten in zijn eigen DNA inbrengen. Deze overdracht wordt uitgevoerd door kruising en leidt tot de vorming van een recombinante bacteriële cel.
