Rekombinasi homolog: fungsi, mekanisme, dan aplikasi

rekombinasi homolog adalah proses yang melibatkan pertukaran molekul DNA antara bagian yang identik atau mirip genom. Sel menggunakan rekombinasi homolog terutama untuk memperbaiki kerusakan materi genetik, menghasilkan variasi genetik dalam populasi.

Secara umum, rekombinasi homolog melibatkan pasangan fisik antara area homolog dari materi genetik, diikuti dengan pemutusan rantai yang akan mengalami pertukaran, dan akhirnya penyatuan molekul DNA gabungan baru .

Rekombinasi homolog: fungsi, mekanisme, dan aplikasi

Rekombinasi antara dua kromosom homolog. Sumber: Emw [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

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

Rekombinasi homolog dianggap sebagai salah satu mekanisme utama yang memungkinkan stabilitas genom. Ini hadir di semua domain kehidupan dan bahkan dalam virus, jadi ini mungkin merupakan mekanisme vital yang muncul sangat awal dalam evolusi kehidupan.

Indeks artikel

Perspektif sejarah

Salah satu prinsip yang paling relevan yang diusulkan oleh Gregor Mendel terdiri dari independensi dalam pemisahan karakter. Menurut hukum ini, gen yang berbeda diturunkan dari orang tua ke anak secara mandiri.

Namun, pada tahun 1900 adanya pengecualian yang sangat mencolok terhadap prinsip ini menjadi jelas. Ahli genetika Inggris Bateson dan Punnett menunjukkan bahwa berkali-kali sifat-sifat tertentu diwariskan bersama-sama, dan untuk sifat-sifat ini prinsip yang dinyatakan oleh Mendel tidak memiliki validitas.

Penyelidikan selanjutnya berhasil menjelaskan adanya proses rekombinasi, di mana sel mampu bertukar materi genetik. Dalam kasus di mana gen diwarisi bersama, DNA tidak dipertukarkan karena kedekatan fisik antara gen.

Apa itu rekombinasi homolog?

Rekombinasi homolog adalah fenomena seluler yang melibatkan pertukaran fisik urutan DNA antara dua kromosom. Rekombinasi melibatkan satu set gen yang dikenal sebagai gen rec. Kode ini untuk enzim yang berbeda yang berpartisipasi dalam proses.

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

Pada makhluk hidup , semua DNA dianggap DNA rekombinan. Pertukaran materi genetik antar kromosom terjadi secara terus menerus, pencampuran dan penataan kembali gen-gen pada kromosom.

Proses ini jelas terjadi pada meiosis . Khususnya pada fase di mana kromosom berpasangan pada pembelahan sel pertama. Pada tahap ini terjadi pertukaran materi genetik antar kromosom.

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

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

Fungsi dan konsekuensi dari rekombinasi homolog

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

Sel manusia diperkirakan memiliki sejumlah besar lesi DNA, dalam urutan puluhan hingga ratusan per hari. Lesi ini perlu diperbaiki untuk menghindari potensi mutasi yang merusak, blok replikasi dan transkripsi, dan kerusakan pada tingkat kromosom.

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

Rekombinasi homolog adalah peristiwa yang memungkinkan perbaikan DNA, memungkinkan pemulihan urutan yang hilang, menggunakan untai (homolog) DNA lain sebagai cetakan.

Proses metabolisme ini hadir dalam semua bentuk kehidupan, menyediakan mekanisme ketelitian tinggi yang memungkinkan perbaikan “celah” dalam DNA, pemutusan untai ganda, dan ikatan silang antara untai DNA.

Salah satu konsekuensi yang paling relevan dari rekombinasi adalah generasi variasi genetik baru. Seiring 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 mereset garpu replikasi yang telah rusak.

Pada bakteri

Pada bakteri, sering terjadi peristiwa 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 putusnya salah satu untaian molekul DNA kromosom. Setelah ini, serangkaian langkah yang dikatalisis oleh beberapa enzim terjadi.

Ujung 3 ‘tempat pemotongan terjadi diserbu oleh untai ganda DNA yang homolog. Proses invasi sangat penting. Yang kita maksud dengan “rantai homolog” adalah bagian dari kromosom yang memiliki gen yang sama dalam urutan linier, meskipun urutan nukleotida tidak harus identik.

sinapsis

Invasi untai ini menempatkan kromosom homolog saling berhadapan. Fenomena pertemuan untaian ini disebut sinapsis (jangan dikelirukan dengan sinapsis di neuron, di sini istilah ini digunakan dengan arti lain).

Sinapsis tidak serta merta menyiratkan kontak langsung antara kedua sekuens homolog, DNA dapat terus bergerak selama beberapa waktu hingga menemukan bagian yang homolog. Proses pencarian ini disebut keselarasan homolog.

Pembentukan lingkaran D

Kemudian sebuah peristiwa yang disebut “strand invasi” terjadi. Kromosom adalah heliks ganda DNA. Dalam rekombinasi homolog, dua kromosom mencari urutan homolognya. Di salah satu heliks, untaian terpisah dan untai ini “menyerang” struktur heliks ganda, membentuk struktur yang disebut loop D.

Untai D-loop telah dipindahkan oleh invasi untai putus dan berpasangan dengan untai komplementer dari heliks ganda asli.

Formasi persimpangan liburan

Langkah selanjutnya adalah pembentukan serikat pekerja Holliday. Di sini, ujung-ujung untaian yang dipertukarkan diikat menjadi satu. Serikat pekerja ini memiliki kemampuan untuk bergerak ke segala arah. Sendi dapat pecah dan terbentuk beberapa kali.

Proses akhir rekombinasi adalah resolusi serikat ini dan ada dua cara atau cara di mana sel mencapai ini. Salah satunya adalah pembelahan penyatuan atau dengan proses yang disebut pembubaran, khas organisme eukariotik .

Pada mekanisme pertama, pemutusan persimpangan Holliday meregenerasi dua rantai. Dalam peristiwa “pembubaran” lainnya, semacam keruntuhan terjadi di serikat pekerja.

Protein yang terlibat

Protein penting dalam 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 hubungan fisik antara DNA yang menyerang dan DNA yang ditempa. Dalam proses ini DNA heteroduplex dihasilkan.

Rad51, dan rekan RecA-nya, mengkatalisasi pencarian DNA homolog dan pertukaran untai DNA. Protein ini memiliki kemampuan untuk secara kooperatif mengikat DNA beruntai tunggal.

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

Anomali yang terkait dengan proses rekombinasi

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

Nondisjunction kromosom atau kesalahan dalam segregasi adalah salah satu penyebab paling sering aborsi dan anomali asal kromosom, seperti trisomi kromosom 21, yang menyebabkan sindrom Down.

Meskipun rekombinasi biasanya merupakan proses yang cukup tepat, wilayah genom yang berulang dan gen yang memiliki banyak salinan di seluruh genom rentan terhadap persilangan yang tidak merata .

Perkawinan silang ini menghasilkan ciri-ciri yang relevan secara klinis berbeda, termasuk penyakit umum seperti talasemia dan autisme.

Kegunaan rekombinasi

Ahli biologi molekuler telah memanfaatkan pengetahuan tentang mekanisme rekombinasi homolog untuk menciptakan teknologi yang berbeda. 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 knockout terdiri dari menekan ekspresi gen tertentu dengan mengganti gen asli dengan versi yang dimodifikasi atau “rusak”. Gen tersebut ditukar dengan versi yang bermutasi melalui rekombinasi homolog.

Jenis rekombinasi lainnya

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

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

Bersama-sama, materi genetik juga dapat dipertukarkan antara kromatid sister pada kromosom yang sama. Proses ini terjadi pada pembelahan meiosis dan mitosis, dan disebut pertukaran yang tidak seimbang.

Referensi

  1. Baker, TA, Watson, JD, & Bell, SP (2003). Biologi molekuler gen . Perusahaan Penerbitan Benjamin-Cummings.
  2. Devlin, TM (2004). Biokimia: buku teks dengan aplikasi klinis . saya terbalik.
  3. Jasin, M., & Rothstein, R. (2013). Perbaikan pemutusan untai dengan rekombinasi homolog. Perspektif Cold Spring Harbor dalam biologi , 5 (11), a012740.
  4. Li, X., & Heyer, WD (2008). Rekombinasi homolog dalam perbaikan DNA dan toleransi kerusakan DNA. Penelitian sel , 18 (1), 99-113.
  5. Murray, PR, Rosenthal, KS, & Pfaller, MA (2017). Mikrobiologi medis . Ilmu Kesehatan Elsevier.
  6. Nussbaum, RL, McInnes, RR, & Willard, HF (2015). Thompson & Thompson genetika dalam e-book kedokteran . Ilmu Kesehatan Elsevier.
  7. Virgili, RO, & Taboada, JMV (2006). Genom manusia: kemajuan baru dalam penelitian, diagnosis, dan pengobatan . Edisi Universitat Barcelona.