Γενετικός ανασυνδυασμός

Γενετικός ανασυνδυασμός (επίσης γνωστός ως γενετικός ανασχηματισμός) είναι η ανταλλαγή γενετικού υλικού μεταξύ διαφορετικών οργανισμών που οδηγεί στην παραγωγή απογόνων με συνδυασμούς γνωρισμάτων που διαφέρουν από αυτά που βρίσκονται σε κάθε γονέα. Στα ευκαρυωτικά κύτταρα, ο γενετικός ανασυνδυασμός κατά τη διάρκεια της μείωσης μπορεί να οδηγήσει σε ένα νέο σύνολο γενετικών πληροφοριών που μπορούν να μεταδοθούν από τους γονείς στους απογόνους. Οι περισσότεροι ανασυνδυασμοί συμβαίνουν φυσιολογικά.

Ένα τρέχον πρότυπο μειωτικού ανασυνδυασμού, που ξεκίνησε με ένα σπάσιμο διπλού κλώνου ή κενό, ακολουθούμενο από σύζευξη με ομόλογο χρωμόσωμα και εισβολή κλώνου για να ξεκινήσει η διαδικασία επιδιόρθωσης ανασυνδυασμού. Η επισκευή του κενού μπορεί να οδηγήσει σε επιχιασμό (CO) ή μη επιχιασμό (NCO) των πλευρικών περιοχών. Ο ανασυνδυασμός CO πιστεύεται ότι συμβαίνει σύμφωνα με το πρότυπο διπλού συνδέσμου Holliday (Double Holliday Junction ή DHJ), που απεικονίζεται στα δεξιά, παραπάνω. Οι ανασυνδυασμοί NCO πιστεύεται ότι συμβαίνουν κυρίως από το μοντέλο αναδόμηση κλώνου εξαρτώμενη από τη σύνθεση (Synthesis Dependent Strand Annealing ή SDSA), που απεικονίζεται στα αριστερά, παραπάνω. Τα περισσότερα συμβάντα ανασυνδυασμού φαίνεται να είναι τύπου SDSA.

Κατά τη διάρκεια της μείωσης στα ευκαρυωτικά κύτταρα, ο γενετικός ανασυνδυασμός περιλαμβάνει τη σύζευξη ομόλογων χρωμοσωμάτων. Αυτό μπορεί να ακολουθείται από μεταφορά πληροφοριών μεταξύ των χρωμοσωμάτων. Η μεταφορά πληροφοριών μπορεί να πραγματοποιηθεί χωρίς φυσική ανταλλαγή (ένα τμήμα γενετικού υλικού αντιγράφεται από το ένα χρωμόσωμα στο άλλο, χωρίς να αλλάξει το δοτικό χρωμόσωμα) (βλ. την οδό SDSA στο σχήμα), ή με το σπάσιμο και την επανένωση των κλώνων του DNA , που σχηματίζει νέα μόρια DNA (βλέπε την οδό DHJ στο σχήμα).

Ο ανασυνδυασμός μπορεί επίσης να συμβεί κατά τη διάρκεια της μίτωσης σε ευκαρυώτες όπου συνήθως περιλαμβάνει τα δύο αδελφά χρωμοσώματα που σχηματίζονται μετά από χρωμοσωμική αντιγραφή. Σε αυτήν την περίπτωση, δεν παράγονται νέοι συνδυασμοί αλληλομόρφων αφού τα αδελφά χρωμοσώματα είναι συνήθως ταυτόσημα. Στη μείωση και τη μίτωση, ο ανασυνδυασμός συμβαίνει μεταξύ παρόμοιων μορίων DNA (ομόλογες αλληλουχίες). Στη μείωση, τα μη-αδελφά ομόλογα χρωμοσωμικά ζεύγη συνδέονται μεταξύ τους έτσι ώστε ο ανασυνδυασμός εμφανίζεται χαρακτηριστικά μεταξύ μη-αδελφών ομολόγων. Και στα δύο μειωτικά και μιτωτικά κύτταρα, ο ανασυνδυασμός μεταξύ ομόλογων χρωμοσωμάτων είναι ένας κοινός μηχανισμός που χρησιμοποιείται στην επιδιόρθωση του DNA.

Μετατροπή γονιδίου - η διαδικασία κατά την οποία οι ομόλογες αλληλουχίες γίνονται ταυτόσημες εμπίπτει επίσης σε γενετικό ανασυνδυασμό.

Ο γενετικός ανασυνδυασμός και ο ανασυνδυασμός επιδιόρθωσης του DNA συμβαίνει επίσης σε βακτήρια και αρχαία, τα οποία χρησιμοποιούν αγενή αναπαραγωγή.

Ο ανασυνδυασμός μπορεί να προκληθεί τεχνητά σε εργαστηριακές ( in vitro ) ρυθμίσεις, παράγοντας ανασυνδυασμένο DNA και για σκοπούς που μεταξύ των άλλων συμπεριλαμβάνουν την ανάπτυξη εμβολίου.

Ο ανασυνδυασμός V(D)J σε οργανισμούς με επίκτητη ανοσία είναι ένας τύπος τοποειδικού γενετικού ανασυνδυασμού που βοηθά τα ανοσοκύτταρα να διαφοροποιηθούν γρήγορα για να αναγνωρίσουν και να προσαρμοστούν σε νέα παθογόνα.

Σύναψη

Κατά τη διάρκεια της μείωσης, η σύναψη (η σύζευξη ομόλογων χρωμοσωμάτων) συνήθως προηγείται του γενετικού ανασυνδυασμού.

Μηχανισμός

Ο γενετικός ανασυνδυασμός καταλύεται από πολλά διαφορετικά ένζυμα. Οι ανασυνδυασμάσες (Recombinases) είναι βασικά ένζυμα που καταλύουν το βήμα μεταφοράς κλώνου κατά τον ανασυνδυασμό. Η RecA, η κύρια ανασυνδυασμάση που βρέθηκε στο Εσερίχια κόλι, είναι υπεύθυνη για την επιδιόρθωση των θραύσεων του διπλού κλώνου DNA (DSBs). Στους ζυμομύκητες και άλλους ευκαρυωτικούς οργανισμούς απαιτούνται δύο ανασυνδυασμάσες για την επιδιόρθωση των διπλών κλώνων. Η πρωτεΐνη RAD51 απαιτείται για τον μιτωτικό και μειωτικό ανασυνδυασμό, ενώ η πρωτεΐνη επιδιόρθωσης του DNA, το γονίδιο DMC1, είναι ειδικό για τον μειωτικό ανασυνδυασμό. Στα αρχαία, η ορθόλογη της βακτηριακής πρωτεΐνης RecA είναι η RadA.

Βακτηριακός ανασυνδυασμός

Στα Βακτήρια υπάρχουν:

• κανονικός βακτηριακός ανασυνδυασμός, καθώς και μη αποτελεσματική μεταφορά γενετικού υλικού, εκφραζόμενη ως
• ανεπιτυχής μεταφορά που είναι οποιαδήποτε μεταφορά βακτηριακού DNA των αποδεκτών του δοτικού κυττάρου που έχουν ορίσει το εισερχόμενο DNA ως μέρος του γενετικού υλικού του αποδέκτη. Η ανεπιτυχής μεταφορά καταγράφηκε στην ακόλουθη μεταγωγή και σύζευξη. Σε όλες τις περιπτώσεις, το μεταδιδόμενο θραύσμα αραιώνεται από την ανάπτυξη της καλλιέργειας.^[1][2][3]

Χρωμοσωμικός επιχιασμός

Διάγραμμα επιχιασμού του Thomas Hunt Morgan (1916)

Στα ευκαρυωτικά κύτταρα, ο ανασυνδυασμός κατά τη διάρκεια της μείωσης διευκολύνεται από τον χρωμοσωμικό επιχιασμό. Η διαδικασία επιχιασμού οδηγεί σε απογόνους που έχουν διαφορετικούς συνδυασμούς γονιδίων από αυτούς των γονέων τους και μπορεί περιστασιακά να παράγουν νέα χιμαιρικά αλληλόμορφα. Η αναδιάταξη των γονιδίων που προκαλούνται από γενετικό ανασυνδυασμό παράγει αυξημένη γενετική παρέκκλιση. Επιτρέπει επίσης σε φυλετικά αναπαραγόμενους οργανισμούς να αποφεύγουν την καστάνια Μίλερ (Muller ratchet), στην οποία τα γονιδιώματα ενός πληθυσμού με αγενή αναπαραγωγή συσσωρεύουν γενετικές απαλοιφές με μη αναστρέψιμο τρόπο.

Ο χρωμοσωμικός επιχιασμός περιλαμβάνει ανασυνδυασμό μεταξύ του συζευγμένου χρωμοσώματος που κληρονομήθηκε από τον καθένα από τους γονείς του, που συμβαίνει γενικά κατά τη διάρκεια της μείωσης. Κατά τη διάρκεια της προφάσης Ι (στάδιο παχυταινίας) οι τέσσερεις διαθέσιμες χρωματίδες βρίσκονται σε στενό σχηματισμό μεταξύ τους. Ενώ σε αυτόν τον σχηματισμό, οι ομόλογες θέσεις στις δύο χρωματίδες μπορεί να συζευχθούν στενά μεταξύ τους και μπορεί να ανταλλάξουν γενετικές πληροφορίες.^[4]

Επειδή ο ανασυνδυασμός μπορεί να συμβεί με μικρή πιθανότητα σε οποιαδήποτε θέση κατά μήκος του χρωμοσώματος, η γενετική σύνδεση μεταξύ δύο θέσεων εξαρτάται από την απόσταση που τις χωρίζει. Επομένως, για γονίδια αρκετά απομακρυσμένα στο ίδιο χρωμόσωμα, η ποσότητα του επιχιασμού είναι αρκετά υψηλή για να καταστρέψει τη συσχέτιση μεταξύ αλληλομόρφων.

Η παρακολούθηση της κίνησης των γονιδίων που προέρχονται από επιχιασμούς έχει αποδειχθεί αρκετά χρήσιμη για τους γενετιστές. Επειδή δύο γονίδια που είναι κοντά μεταξύ τους είναι λιγότερο πιθανό να διαχωριστούν από τα γονίδια που βρίσκονται σε απόσταση μεταξύ τους, οι γενετιστές μπορούν να συμπεράνουν περίπου το πόσο μακριά βρίσκονται δύο γονίδια σε ένα χρωμόσωμα εάν γνωρίζουν τη συχνότητα των επιχιασμών. Οι γενετιστές μπορούν επίσης να χρησιμοποιήσουν αυτήν τη μέθοδο για να συμπεράνουν την παρουσία ορισμένων γονιδίων. Τα γονίδια που συνήθως παραμένουν μαζί κατά τον ανασυνδυασμό λέγεται ότι συνδέονται. Ένα γονίδιο σε ένα συζευγμένο ζεύγος μπορεί μερικές φορές να χρησιμοποιηθεί ως δείκτης για να συναχθεί η παρουσία ενός άλλου γονιδίου. Αυτό χρησιμοποιείται συνήθως για την ανίχνευση της παρουσίας ενός γονιδίου που προκαλεί ασθένεια.^[5]

Η συχνότητα ανασυνδυασμού μεταξύ δύο σημείων που παρατηρήθηκαν είναι η τιμή επιχιασμού (crossing-over value). Είναι η συχνότητα χρωμοσωμικού επιχιασμού μεταξύ δύο συνδεμένων γονιδιακών τόπων (δείκτες) και εξαρτάται από την αμοιβαία απόσταση των γενετικών θέσεων που παρατηρήθηκαν. Για οποιοδήποτε σταθερό σύνολο γενετικών και περιβαλλοντικών συνθηκών, ο ανασυνδυασμός σε μια συγκεκριμένη περιοχή μιας δομής σύνδεσης (χρωμόσωμα) τείνει να είναι σταθερός και το ίδιο ισχύει στη συνέχεια για την τιμή επιχιασμού που χρησιμοποιείται στην παραγωγή γενετικών χαρτών.^[1][6]

Μετατροπή γονιδίων

Στη μετατροπή γονιδίων, ένα τμήμα γενετικού υλικού αντιγράφεται από το ένα χρωμόσωμα στο άλλο, χωρίς να αλλάζει το δοτικό χρωμόσωμα. Η μετατροπή γονιδίων συμβαίνει με υψηλή συχνότητα στην πραγματική θέση του συμβάντος ανασυνδυασμού κατά τη διάρκεια της μείωσης. Είναι μια διαδικασία με την οποία μια αλληλουχία DNA αντιγράφεται από μια έλικα DNA (η οποία παραμένει αμετάβλητη) σε μια άλλη έλικα DNA, της οποίας η αλληλουχία μεταβάλλεται. Η μετατροπή γονιδίων έχει συχνά μελετηθεί σε διασταυρώσεις μυκήτων,^[7] όπου μπορούν να παρατηρηθούν εύκολα τα 4 προϊόντα μεμονωμένων μειώσεων. Τα συμβάντα μετατροπής γονιδίων μπορούν να διακριθούν ως αποκλίσεις σε μια μεμονωμένη μείωση από το κανονικό μοτίβο διαχωρισμού 2: 2 (π.χ. ένα μοτίβο 3: 1).

Μη ομόλογος ανασυνδυασμός

Ο ανασυνδυασμός μπορεί να συμβεί μεταξύ αλληλουχιών DNA που δεν περιέχουν αλληλουχία ομολογίας. Αυτό μπορεί να προκαλέσει επιχιασμό χρωμοσωμάτων, που μερικές φορές οδηγεί σε καρκίνο.

Σε κύτταρα Β

Τα κύτταρα Β του ανοσοποιητικού συστήματος εκτελούν γενετικό ανασυνδυασμό, που ονομάζεται αλλαγή τάξης ανοσοσφαιρίνης (immunoglobulin class switching). Είναι ένας βιολογικός μηχανισμός που αλλάζει ένα αντίσωμα από μια τάξη σε άλλη, για παράδειγμα, από έναν ισότυπος που ονομάζεται IgM σε ισότυπο που ονομάζεται IgG.

Γενετική μηχανική

Στη γενετική μηχανική, ο ανασυνδυασμός μπορεί επίσης να αναφέρεται σε τεχνητό και σκόπιμο ανασυνδυασμό ανόμοιων κομματιών DNA, συχνά από διαφορετικούς οργανισμούς, δημιουργώντας αυτό που ονομάζεται ανασυνδυασμένο DNA. Ένα βασικό παράδειγμα μιας τέτοιας χρήσης γενετικού ανασυνδυασμού είναι η γονιδιακής στόχευσης (gene targeting), η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προσθήκη, τη διαγραφή ή την αλλαγή των γονιδίων ενός οργανισμού. Αυτή η τεχνική είναι σημαντική για βιοϊατρική έρευνα καθώς επιτρέπει τη μελέτη των αποτελεσμάτων των συγκεκριμένων γονιδίων. Τεχνικές που βασίζονται σε γενετικό ανασυνδυασμό εφαρμόζονται επίσης στην πρωτεϊνική μηχανική για την ανάπτυξη νέων πρωτεϊνών βιολογικού ενδιαφέροντος.

Ανασυνδυαστική επιδιόρθωση

Οι βλάβες του DNA που προκαλούνται από μια ποικιλία εξωγενών παραγόντων (π.χ. υπεριώδης ακτινοβολία, ακτίνες Χ, παράγοντες διασταύρωσης μπορούν να επιδιορθωθούν με ομόλογη ανασυνδυαστική επιδιόρθωση (HRR) . ^[8][9] Αυτά τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι οι βλάβες DNA που προκύπτουν από φυσικές διεργασίες, όπως η έκθεση σε δραστικά είδη οξυγόνου που είναι παραπροϊόντα του φυσιολογικού μεταβολισμού, επιδιορθώνονται επίσης από το HRR. Στους ανθρώπους, οι ανεπάρκειες στα γονιδιακά προϊόντα που είναι απαραίτητα για την HRR κατά τη διάρκεια της μείωσης προκαλούν πιθανώς υπογονιμότητα^[10] Στους ανθρώπους, οι ανεπάρκειες στα γονιδιακά προϊόντα που είναι απαραίτητα για τον HRR, όπως BRCA1 και BRCA2, αυξάνουν τον κίνδυνο καρκίνου.

Στα βακτήρια, ο μετασχηματισμός είναι μια διαδικασία μεταφοράς γονιδίων που συμβαίνει συνήθως μεταξύ μεμονωμένων κυττάρων του ίδιου βακτηριακού είδους. Ο μετασχηματισμός περιέχει ενσωμάτωση του DNA δότη στο χρωμόσωμα δέκτη με ανασυνδυασμό. Αυτή η διαδικασία φαίνεται να είναι μια προσαρμογή για την αποκατάσταση βλαβών του DNA στο χρωμόσωμα του δέκτη με HRR.^[11] Ο μετασχηματισμός μπορεί να προσφέρει ένα όφελος στα παθογόνα βακτήρια επιτρέποντας την επιδιόρθωση της βλάβης του DNA, ιδιαίτερα των ζημιών που συμβαίνουν στο φλεγμονώδες, οξειδωτικό περιβάλλον που σχετίζεται με τη μόλυνση ενός ξενιστή.

Όταν δύο ή περισσότεροι ιοί, που ο καθένας τους περιέχει θανατηφόρες γονιδιωματικές βλάβες, μολύνουν το ίδιο κύτταρο ξενιστή, τα γονιδιώματα του ιού μπορούν συχνά να συζευχθούν μεταξύ τους και να υποστούν HRR για να παράξουν βιώσιμους απογόνους. Αυτή η διαδικασία, που αναφέρεται ως επανενεργοποίηση πολλαπλότητας, έχει μελετηθεί σε λάμδα και Τ4 βακτηριοφάγους,^[12] καθώς και σε πολλούς παθογόνους ιούς. Στην περίπτωση παθογόνων ιών, η επανενεργοποίηση πολλαπλότητας μπορεί να είναι ένα προσαρμοστικό όφελος για τον ιό, δεδομένου ότι επιτρέπει την αποκατάσταση βλαβών του DNA που προκαλούνται από την έκθεση στο οξειδωτικό περιβάλλον που παράγεται κατά τη διάρκεια της μόλυνσης του ξενιστή.^[11]

Μειωτικός ανασυνδυασμός

Τα μοριακά μοντέλα του μειωτικού ανασυνδυασμού έχουν εξελιχθεί με την πάροδο των ετών καθώς συγκεντρώθηκαν σχετικά στοιχεία. Ένα σημαντικό κίνητρο για την ανάπτυξη μιας θεμελιώδους κατανόησης του μηχανισμού του μειωτικού ανασυνδυασμού είναι ότι αυτή η κατανόηση είναι ζωτικής σημασίας για την επίλυση του προβλήματος της προσαρμοστικής λειτουργίας του σεξ, ένα σημαντικό άλυτο ζήτημα στη βιολογία. Ένα πρόσφατο πρότυπο που αντικατοπτρίζει την τρέχουσα κατανόηση παρουσιάστηκε από τους Anderson και Sekelsky,^[13] και περιγράφεται στο πρώτο σχήμα σε αυτό το άρθρο. Το σχήμα δείχνει ότι δύο από τις τέσσερεις χρωματίδες που υπάρχουν νωρίς στη μείωση (προφάση Ι) είναι ζευγάρια μεταξύ τους και μπορούν να αλληλεπιδράσουν. Ο ανασυνδυασμός, σε αυτήν την έκδοση του προτύπου, ξεκινά με μια διάσπαση διπλού κλώνου (ή κενού) που εμφανίζεται στο μόριο DNA (χρωματίδα) στην κορυφή του πρώτου σχήματος σε αυτό το άρθρο. Ωστόσο, άλλοι τύποι βλάβης του DNA μπορεί επίσης να ξεκινήσουν ανασυνδυασμό. Για παράδειγμα, μια διακλωνική διασύνδεση (που προκαλείται από έκθεση σε παράγοντα διασταύρωσης όπως η μιτομυκίνη C) μπορεί να επιδιορθωθεί με HRR.

Όπως αναφέρεται στο πρώτο σχήμα, παραπάνω, παράγονται δύο τύποι ανασυνδυασμένου προϊόντος. Στη δεξιά πλευρά εμφανίζεται ένας τύπος "επιχιασμού" (CO), όπου ανταλλάσσονται οι πλευρικές περιοχές των χρωμοσωμάτων, και στην αριστερή πλευρά, ένας τύπος "μη επιχιασμού" (NCO) όπου οι πλευρικές περιοχές δεν ανταλλάσσονται. Ο τύπος CO ανασυνδυασμού περιλαμβάνει τον ενδιάμεσο σχηματισμό δύο συνδέσμων Holliday που υποδεικνύονται στην κάτω δεξιά πλευρά του σχήματος από δύο δομές σχήματος Χ σε κάθε μία από τις οποίες υπάρχει ανταλλαγή μονών κλώνων μεταξύ των δύο συμμετεχουσών χρωματίδων. Αυτή η οδός επισημαίνεται στο σχήμα ως η οδός DHJ (double-Holliday junction)

Οι ανασυνδυασμοί NCO (απεικονίζονται στα αριστερά στο σχήμα) παράγονται από μια διαδικασία που αναφέρεται ως αναδόμηση κλώνου εξαρτώμενη από τη σύνθεση (SDSA). Τα συμβάντα ανασυνδυασμού του τύπου NCO/SDSA φαίνεται να είναι πιο συνηθισμένα από τον τύπο CO/DHJ.^[14] Η οδός NCO/SDSA συμβάλλει λίγο στη γενετική ποικιλομορφία, καθώς οι βραχίονες των χρωμοσωμάτων που πλαισιώνουν το συμβάν ανασυνδυασμού παραμένουν στη γονική διαμόρφωση. Έτσι, οι εξηγήσεις για την προσαρμοστική λειτουργία της μείωσης που επικεντρώνονται αποκλειστικά στον επιχιασμό είναι ανεπαρκείς για να εξηγήσουν την πλειονότητα των γεγονότων ανασυνδυασμού.

Αχιασμός και ετεροχιασμός (Achiasmy and heterochiasmy)

Αχιασμός είναι το φαινόμενο όπου ο αυτοσωματικός ανασυνδυασμός απουσιάζει εντελώς σε ένα φύλο ενός είδους. Ο αχιασματικός χρωμοσωμικός διαχωρισμός είναι καλά τεκμηριωμένος στα αρσενικά Drosophila melanogaster. Ετεροχιασμός εμφανίζεται όταν τα ποσοστά ανασυνδυασμού διαφέρουν μεταξύ των φύλων ενός είδους.^[15] Αυτό το σεξουαλικό διμορφικό μοτίβο στο ποσοστό ανασυνδυασμού έχει παρατηρηθεί σε πολλά είδη. Στα θηλαστικά, τα θηλυκά συνήθως έχουν υψηλότερα ποσοστά ανασυνδυασμού. Ο κανόνας Haldane-Huxley δηλώνει ότι ο αχιασμός εμφανίζεται συνήθως στο ετερογαμικό φύλο.^[15]

Ανασυνδυασμός ιού RNA

Πολλοί ιοί RNA είναι ικανοί για γενετικό ανασυνδυασμό όταν τουλάχιστον δύο ιικά γονιδιώματα υπάρχουν στο ίδιο κύτταρο ξενιστή.^[16] Ο ανασυνδυασμός ιικού RNA λαμβάνει χώρα κατά την αντίστροφη μεταγραφή και μεσολαβείται από το ένζυμο, αντίστροφη μεταγραφάση. Ο ανασυνδυασμός συμβαίνει όταν η αντίστροφη μεταγραφάση μεταπηδά από το ένα γονιδίωμα RNA του ιού στο άλλο γονιδίωμα RNA του ιού, με αποτέλεσμα ένα συμβάν αλλαγής προτύπου και έναν μοναδικό κλώνο DNA που περιέχει αλληλουχίες και από τα δύο ιογενή γονιδιώματα RNA.^[17] Ο ανασυνδυασμός ευθύνεται σε μεγάλο βαθμό για την ποικιλομορφία του ιού RNA και την αποφυγή του ανοσοποιητικού συστήματος.^[18] Ο ανασυνδυασμός RNA φαίνεται να είναι μια σημαντική κινητήρια δύναμη στον προσδιορισμό της αρχιτεκτονικής του γονιδιώματος και της πορείας της ιογενούς εξέλιξης μεταξύ των πικορναϊών (π.χ. ιός πολιομυελίτιδας).^[19] Στους ρετροϊούς ((+) ssRNA) (π.χ. HIV), φαίνεται να αποφεύγεται βλάβη στο γονιδίωμα RNA κατά τη διάρκεια της αντίστροφης μεταγραφής με εναλλαγή κλώνου, μια μορφή ανασυνδυασμού.^[20][21]

Ο ανασυνδυασμός εμφανίζεται επίσης στους ρεοϊούς (dsRNA), ορθομυξοϊοούς ((-) ssRNA) (π.χ. ιός της γρίπης) ^[21] και στους κοροναϊούς ((+) ssRNA) (π.χ. SARS).^[22]

Ο ανασυνδυασμός σε ιούς RNA φαίνεται να είναι προσαρμογή για την αντιμετώπιση της βλάβης του γονιδιώματος.^[16] Η εναλλαγή μεταξύ κλώνων προτύπου κατά την αντιγραφή γονιδιώματος, που αναφέρεται ως ανασυνδυασμός επιλογής αντιγραφής, αρχικά προτάθηκε για να εξηγήσει τη θετική συσχέτιση συμβάντων ανασυνδυασμού σε μικρές αποστάσεις σε οργανισμούς με γονιδίωμα DNA (βλ. Πρώτο σχήμα, οδός SDSA)..^[23] Το πρότυπο αναγκαστικής επιλογής αντιγραφής υποδηλώνει ότι η αντίστροφη μεταγραφάση υφίσταται εναλλαγή προτύπου όταν συναντά μια εγκοπή στην ιική αλληλουχία RNA. Έτσι, το πρότυπο αναγκαστικής επιλογής αντιγραφής υποδηλώνει ότι απαιτείται ανασυνδυασμός για την ακεραιότητα και την επιβίωση του ιού, καθώς είναι σε θέση να διορθώσει τη γονιδιωματική βλάβη προκειμένου να δημιουργήσει προϊικό DNA. ^[24] Ένα άλλο πρότυπο ανασυνδυασμού αντιμετωπίζει αυτήν την ιδέα, και αντ' αυτού προτείνει ότι ο ανασυνδυασμός συμβαίνει σποραδικά όταν οι δύο περιοχές της αντίστροφης μεταγραφάσης, η ριβονουκλεάση Η και η πολυμεράση, διαφέρουν στις ταχύτητες δραστηριότητάς τους. Αυτό εξαναγκάζει το ένζυμο της αντίστροφης μεταγραφάσης να απομακρυνθεί από έναν κλώνο RNA και στον δεύτερο. Αυτό το δεύτερο πρότυπο ανασυνδυασμού αναφέρεται ως πρότυπο δυναμικής επιλογής.^[25] Μια μελέτη των Rawson κ.α. καθόρισε ότι και τα δύο πρότυπα ανασυνδυασμού είναι σωστά στον ανασυνδυασμό HIV-1 και ότι ο ανασυνδυασμός είναι απαραίτητος για την αντιγραφή του ιού.^[18]

Ο ανασυνδυασμός μπορεί να συμβεί σπάνια ανάμεσα σε ιούς ζώων του ίδιου είδους αλλά από διαφορετικές γενεαλογίες. Οι προκύπτοντες ανασυνδυασμένοι ιοί μπορεί μερικές φορές να προκαλέσουν εκδήλωση μόλυνσης σε ανθρώπους.^[22]

Κατά την αναπαραγωγή του (+) ssRNA γονιδιώματος, ο ιός της πολιομυελίτιδας που εξαρτάται από το RNA της πολυμεράση RNA (RdRp) μπορεί να πραγματοποιήσει ανασυνδυασμό. Ο ανασυνδυασμός φαίνεται να συμβαίνει από έναν μηχανισμό επιλογής αντιγραφής στον οποίο το RdRp αλλάζει τα πρότυπα (+)ssRNA κατά τη διάρκεια της σύνθεσης αρνητικών κλώνων.^[26] Ο ανασυνδυασμός με εναλλαγή κλώνου RdRp εμφανίζεται επίσης σε (+)ssRNA καρμοϊούς και tombusviruses.^[27]

Ο ανασυνδυασμός φαίνεται να είναι μια σημαντική κινητήρια δύναμη για τον προσδιορισμό της γενετικής μεταβλητότητας εντός των κοροναϊών, καθώς και της ικανότητας ειδών κορανοϊών να πηδούν από τον ένα ξενιστή στον άλλο και, σπάνια, για την εμφάνιση νέων ειδών, αν και ο μηχανισμός ανασυνδυασμού είναι ασαφής.^[22] Κατά τους πρώτους μήνες της πανδημίας COVID-19, ένα τέτοιο συμβάν ανασυνδυασμού προτάθηκε ότι ήταν ένα κρίσιμο βήμα στην εξέλιξη της ικανότητας του SARS-CoV-2 να μολύνει ανθρώπους.^[28] Το μοτίβο δέσμευσης του συνολικού υποδοχέα του SARS-CoV-2 εμφανίστηκε, με βάση προκαταρκτικές παρατηρήσεις, να έχει εισαχθεί μέσω ανασυνδυασμού από κοροναϊούς του παγκολίνου.^[29] Ωστόσο, πιο ολοκληρωμένες αναλύσεις αργότερα αντέκρουσαν αυτήν την πρόταση και έδειξαν ότι το SARS-CoV-2 πιθανότατα εξελίχθηκε μόνο μέσα σε νυχτερίδες και με λίγο ή καθόλου ανασυνδυασμό.^[30][31]

Παραπομπές

1. Rieger R, Michaelis A, Green MM (1976). Glossary of genetics and cytogenetics: Classical and molecular. Heidelberg - New York: Springer-Verlag. ISBN 978-3-540-07668-1.
2. King RC, Stransfield WD (1998). Dictionary of genetics. New York, Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-50944-1-1.
3. Bajrović K, Jevrić-Čaušević A, Hadžiselimović R, επιμ. (2005). Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB) Sarajevo. ISBN 978-9958-9344-1-4.
4. Alberts B (2002). Molecular Biology of the Cell, Fourth Edition. New York: Garland Science. ISBN 978-0-8153-3218-3.
5. «Access Excellence». Crossing-over: Genetic Recombination. The National Health Museum Resource Center. Ανακτήθηκε στις 23 Φεβρουαρίου 2011.
6. King RC, Stransfield WD (1998). Dictionary of Genetics. New York, Oxford: Oxford University Press. ISBN 0-19-509442-5.
7. Stacey KA (1994). «Recombination». Στο: Kendrew J, Lawrence E. The Encyclopedia of Molecular Biology. Oxford: Blackwell Science. σελίδες 945–950.
8. «Genetic controls of meiotic recombination and somatic DNA metabolism in Drosophila melanogaster». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 73 (11): 4140–4. November 1976. doi:10.1073/pnas.73.11.4140. PMID 825857. Bibcode: 1976PNAS...73.4140B.
9. Boyd JB (1978). «DNA repair in Drosophila». Στο: Hanawalt PC, Friedberg EC, Fox CF. DNA Repair Mechanisms. New York: Academic Press. σελίδες 449–452.
10. «Expression of somatic DNA repair genes in human testes». Journal of Cellular Biochemistry 100 (5): 1232–9. April 2007. doi:10.1002/jcb.21113. PMID 17177185.
11. «Adaptive value of sex in microbial pathogens». Infection, Genetics and Evolution 8 (3): 267–85. May 2008. doi:10.1016/j.meegid.2008.01.002. PMID 18295550. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 2020-05-11. https://web.archive.org/web/20200511153411/http://www.hummingbirds.arizona.edu/Faculty/Michod/Downloads/IGE%20review%20sex.pdf. Ανακτήθηκε στις 2021-07-15.
12. «Deoxyribonucleic acid repair in bacteriophage». Microbiological Reviews 45 (1): 72–98. March 1981. doi:10.1128/MMBR.45.1.72-98.1981. PMID 6261109.
13. «Meiotic versus mitotic recombination: two different routes for double-strand break repair: the different functions of meiotic versus mitotic DSB repair are reflected in different pathway usage and different outcomes». BioEssays 32 (12): 1058–66. December 2010. doi:10.1002/bies.201000087. PMID 20967781.
14. Mehrotra, S.; McKim, K. S. (2006). «Temporal Analysis of Meiotic DNA Double-Strand Break Formation and Repair in Drosophila Females». PLOS Genetics 2 (11): e200. doi:10.1371/journal.pgen.0020200. PMID 17166055.
15. «The evolution of sex dimorphism in recombination». Genetics 163 (2): 811–22. February 2003. doi:10.1093/genetics/163.2.811. PMID 12618416. PMC 1462442. https://archive.org/details/sim_genetics_2003-02_163_2/page/811.
16. «How RNA viruses maintain their genome integrity». The Journal of General Virology 91 (Pt 6): 1373–87. June 2010. doi:10.1099/vir.0.020818-0. PMID 20335491.
17. «Recombination in viruses: mechanisms, methods of study, and evolutionary consequences». Infection, Genetics and Evolution 30: 296–307. March 2015. doi:10.1016/j.meegid.2014.12.022. PMID 25541518.
18. «Recombination is required for efficient HIV-1 replication and the maintenance of viral genome integrity». Nucleic Acids Research 46 (20): 10535–10545. November 2018. doi:10.1093/nar/gky910. PMID 30307534.
19. «Recombination in Enteroviruses, a Multi-Step Modular Evolutionary Process». Viruses 11 (9): 859. September 2019. doi:10.3390/v11090859. PMID 31540135.
20. «Retroviral recombination and reverse transcription». Science 250 (4985): 1227–33. November 1990. doi:10.1126/science.1700865. PMID 1700865. Bibcode: 1990Sci...250.1227H.
21. «Sex in microbial pathogens». Infection, Genetics and Evolution 57: 8–25. January 2018. doi:10.1016/j.meegid.2017.10.024. PMID 29111273.
22. «Epidemiology, Genetic Recombination, and Pathogenesis of Coronaviruses». Trends in Microbiology 24 (6): 490–502. June 2016. doi:10.1016/j.tim.2016.03.003. PMID 27012512.
23. «On the mechanism of intragenic recombination. I. The rII region of bacteriophage T4.». Journal of Theoretical Biology 3 (3): 335–353. 1962. doi:10.1016/S0022-5193(62)80030-7.
24. «Reverse Transcription of Retroviruses and LTR Retrotransposons». Microbiology Spectrum 3 (2): MDNA3–0027–2014. April 2015. doi:10.1128/microbiolspec.MDNA3-0027-2014. ISBN 9781555819200. PMID 26104704.
25. «Dynamic copy choice: steady state between murine leukemia virus polymerase and polymerase-dependent RNase Η activity determines frequency of in vivo template switching». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 98 (21): 12209–14. October 2001. doi:10.1073/pnas.221289898. PMID 11593039. Bibcode: 2001PNAS...9812209H.
26. «The mechanism of RNA recombination in poliovirus». Cell 47 (3): 433–43. November 1986. doi:10.1016/0092-8674(86)90600-8. PMID 3021340.
27. «Mechanism of RNA recombination in carmo- and tombusviruses: evidence for template switching by the RNA-dependent RNA polymerase in vitro». Journal of Virology 77 (22): 12033–47. November 2003. doi:10.1128/jvi.77.22.12033-12047.2003. PMID 14581540. PMC 254248. https://archive.org/details/sim_journal-of-virology_2003-11_77_22/page/12033.
28. Wang H, Pipes L, Nielsen R (12 Οκτωβρίου 2020). «Synonymous mutations and the molecular evolution of SARS-Cov-2 origins». bioRxiv 10.1101/2020.04.20.052019  Check |biorxiv= value (βοήθεια).
29. «Emergence of SARS-CoV-2 through recombination and strong purifying selection». Science Advances 6 (27): eabb9153. July 2020. doi:10.1126/sciadv.abb9153. PMID 32937441. Bibcode: 2020SciA....6.9153L.
30. «Evolutionary origins of the SARS-CoV-2 sarbecovirus lineage responsible for the COVID-19 pandemic». Nature Microbiology 5 (11): 1408–1417. November 2020. doi:10.1038/s41564-020-0771-4. PMID 32724171.
31. «Recombination should not be an afterthought». Nature Reviews. Microbiology 18 (11): 606. November 2020. doi:10.1038/s41579-020-00451-1. PMID 32958891.

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• Animations – homologous recombination: Animations showing several models of homologous recombination
• The Holliday Model of Genetic Recombination
• Animated guide to homologous recombination.