معلومة

كسر الجين أثناء إعادة التركيب

كسر الجين أثناء إعادة التركيب



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

لقد بدأت للتو في القراءة عن ترددات إعادة التركيب للجينات والأشياء ذات الصلة ، ولا يمكنني العثور على إجابة لهذا السؤال (ربما الساذج). هل يمكن أن يؤدي إعادة التركيب إلى "قتل" الجين؟

لنكون أكثر تحديدًا ، لنفترض أن الجين يقع في الموضع $ x $ إلى $ y $ على بعض الكروموسوم. بعد ذلك ، نحن غير محظوظين لدرجة أن إعادة التركيب تقرر قطع الكروموسوم في الموقع $ x + (y - x) / 2 $ ، في منتصف الجين تمامًا. لذلك سوف يتحد النصفان مع النصفين الآخرين من الجين على الكروموسوم المتماثل. إذا كان الأليل الموجود على هذا الكروموسوم مختلفًا ، فهل يمكن أن يؤدي إلى تدمير كلا أليلي الجين؟ هل هناك شيء يمنع هذا؟


نعم ، يمكنك أن تتخيل موقفًا حيث يمكن أن ينتج أليلين وظيفيين مؤتلفًا غير وظيفي.

يحتوي الكروموسوم 1 على A و B في المواضع x و ذ - وظيفي

يحتوي الكروموسوم 2 على C و D في المواضع x و ذ - وظيفي

إعادة التركيب بين المواقف x و ذ ينتج نسخا A / D و C / B من الجين. يمكن أن يكون أي منهما أو كليهما غير وظيفي.

لا شيء يمنع حدوث ذلك ، لكن الانتقاء الطبيعي سيعمل على المؤتلف.


آليات تحويل الجينات وإعادة التركيب المتماثل: نموذج إصلاح الكسر المزدوج ونموذج التقاطع النصف المتتالي

تمت مناقشة آليتين لتحويل الجينات وإعادة التركيب المتماثل. (1) نموذج إصلاح كسر الشريط المزدوج. يتم توسيع الفاصل المزدوج إلى فجوة ، والتي يتم إصلاحها بعد ذلك عن طريق نسخ تسلسل متماثل. غالبًا ما يكون التحويل الجيني مصحوبًا بعبور التسلسلات المرافقة. حصلنا على أدلة لهذا النموذج في المسار الأحمر لعاثيات لامدا ومسار RecE للإشريكية القولونية. (2) نموذج التقاطع النصفى المتتالى. نصف العبور يترك واحدًا مزدوجًا مؤتلفًا ونهاية (نهايات) واحدة أو نهايتان من اثنين من الأبراج المزدوجة المزدوجة. وتكون الغايات الناتجة بدورها مولدة للتكوين. تشرح الجولات المتتالية لآلية التقاطع النصفية سبب عدم اقتران تحويل الجين البلازميد الظاهر في مسار RecF للإشريكية القولونية بالعبور. يمكن لهذا النموذج أن يفسر تحويل الجينات الكروموسومية إذا افترضنا أن المتبرع قد تم نسخه لأول مرة. يوضح هذا النموذج التحويل الجيني أثناء التبديل من نوع التزاوج في الخميرة ، والاختلاف المستضدي في الكائنات الحية الدقيقة أحادية الخلية ، وتحويل الجينات الصبغية في الخلايا الجسدية للثدييات. يعتبر التمييز بين هاتين الآليتين مهمًا في فهم إعادة التركيب في خلايا الخميرة والثدييات وأيضًا في تطبيقه على استهداف الجينات.


عرض ميكانيكي والتحكم الجيني لإعادة تركيب الحمض النووي أثناء الانقسام الاختزالي

إعادة التركيب الانتصافي ضروري للخصوبة وخلط الأليلات. تفشل نماذج إعادة التركيب الكنسي في التقاط التعقيد الملحوظ لمؤتلات الانقسام الاختزالي. هنا ، من خلال الجمع بين أنماط الحمض النووي الانقسام الاختزالي على مستوى الجينوم مع مواقع كسر الشريط المزدوج (DSB) للانقسام الاختزالي ، نظهر أن جزءًا من هذا التعقيد ينتج عن تبديل القالب المتكرر أثناء التلدين المعتمد على التوليف والذي ينتج عنه عدم تقاطعات ومن هجرة فرع مزدوج. تقاطع هوليداي (dHJ) - يحتوي على وسيطة تؤدي بشكل أساسي إلى عمليات الانتقال. ينتج هذا التعقيد أيضًا عن وضع غير متماثل للوسائط المتقاطعة بالنسبة إلى تحويلات DSB و Msh2 المستقلة التي يتم الترويج لها بواسطة dHJ resolvase Mlh1-3 بالإضافة إلى Exo1 و Sgs1. أخيرًا ، نظهر أن دقة dHJ منحازة نحو انشقاق زوج من الخيوط التي تحتوي على الحمض النووي المركب حديثًا بالقرب من التقاطعات وأن هذا التحيز يمكن فصله عن قرار dHJ المتحيز للتقاطع. من المحتمل أن تكون هذه الخصائص محفوظة في حقيقيات النوى التي تحتوي على بروتينات ZMM ، والتي تشمل الثدييات.

الكلمات الدالة: Holliday junction crossover تحويل الجينات heteroduplex DNA إعادة التركيب المتماثل عدم تطابق الانقسام الاختزالي إصلاح noncrossover resolvase هيكل نوكلياز محدد.


آليات الإصلاح المزدوج للكسر أثناء استهداف الجينات في خلايا الثدييات.

في هذه الدراسة ، تم فحص آلية إصلاح الكسر المزدوج (DSB) أثناء استهداف الجينات في موضع الغلوبولين المناعي الكروموسومي في الورم الهجين الفئران. استخدم اختبار استهداف الجينات نواقل إدخال مصممة خصيصًا تم تمييزها وراثيًا في منطقة التماثل إلى موضع الكروموسومات بواسطة ستة علامات موقع إنزيم التقييد التشخيصي. سمحت علامات إنزيم التقييد بتحديد مساهمة متواليات مو التي تحملها الناقلات والكروموسومات في المنتج المؤتلف. كشف استخدام نواقل الإدخال جنبًا إلى جنب مع إجراء الطلاء الذي تم فيه الاحتفاظ بأحداث إعادة التركيب المتماثل الفردية التكاملية للتحليل عن العديد من الميزات المهمة حول عملية إصلاح DSB للثدييات: لم يؤثر وجود العلامات داخل منطقة التماثل المشترك على الكفاءة من استهداف الجينات. في غالبية المؤتلفات ، كانت العلامة المحمولة بالنواقل القريبة من DSB غائبة ، حيث تم استبدالها بموقع إنزيم تقييد الكروموسومات المقابل. تتوافق هذه النتيجة مع تكوين وإصلاح فجوة محمولة بالنواقل أو انحياز "نهائي" في إصلاح عدم تطابق الحمض النووي المتضاعف (hDNA) الذي فضل التسلسل الكروموسومي. كان تكوين hDNA مرتبطًا بشكل متكرر باستهداف الجينات ، وفي معظم الحالات ، بدأ ما يقرب من 645 نقطة أساس من DSB ويمكن أن يشمل مسافة لا تقل عن 1469 نقطة أساس. تم إصلاح hDNA بكفاءة قبل تكرار الحمض النووي. في الغالب على نفس الخيط ، مما يشير إلى تورط آلية إصلاح طويلة التصحيح.


إعادة التركيب

سيراجع محررونا ما قدمته ويحددون ما إذا كان ينبغي مراجعة المقالة أم لا.

إعادة التركيب، في علم الوراثة ، الآلية الأولية التي يتم من خلالها إدخال التباين في السكان. يحدث إعادة التركيب أثناء الانقسام الاختزالي ، عندما يتم تجميع جينات الأم والأب في تكوين الأمشاج (الخلايا الجنسية). تحدث إعادة التركيب بشكل عشوائي في الطبيعة كحدث طبيعي للانقسام الاختزالي ويتعزز بظاهرة العبور ، حيث تتعطل تسلسلات الجينات التي تسمى مجموعات الربط ، مما يؤدي إلى تبادل الأجزاء بين الكروموسومات المقترنة التي تخضع للفصل. وهكذا ، على الرغم من أن الخلية الوليدة الطبيعية التي يتم إنتاجها في الانقسام الاختزالي تتلقى دائمًا نصف المادة الجينية الموجودة في الخلية الأم (أي أحادية العدد) ، فإن إعادة التركيب تعمل لضمان التباين المستمر: لا توجد خليتان ابنتان متطابقتان ، ولا أيهما متطابقان في المحتوى الجيني إلى الخلية الأصل.

ساهمت الدراسة المختبرية لإعادة التركيب بشكل كبير في فهم الآليات الجينية ، مما سمح للعلماء برسم خرائط للكروموسومات ، وتحديد مجموعات الارتباط ، وعزل أسباب بعض التشوهات الجينية ، والتلاعب بإعادة التركيب نفسه عن طريق زرع الجينات من كروموسوم إلى آخر. بسبب قدرتها على إنشاء كائنات حية جديدة - وربما مسببة للأمراض - يمكن أن يكون لإعادة التركيب التجريبي عواقب سلبية محتملة على صحة الإنسان وصحة البيئة. أدى توليد الكائنات الحية المسجلة الملكية ، مثل النباتات المقاومة للأمراض المتوفرة من منتج واحد فقط ، إلى إثارة المزيد من الأسئلة الأخلاقية لمختلف الصناعات ، لا سيما في مجال الزراعة.

محررو Encyclopaedia Britannica تمت مراجعة هذه المقالة وتحديثها مؤخرًا بواسطة كارا روجرز ، كبيرة المحررين.


غزو ​​خيوط Dmc1 بوساطة وتبادل خيوط الحمض النووي

بينما في الجسم الحي كشفت الدراسات عن الدور الذي لا غنى عنه لبروتين Dmc1 في إعادة التركيب الانتصافي ، تمت دراسة الآلية الكيميائية الحيوية لعمل Dmc1 بشكل أفضل باستخدام الأنظمة المنقاة في المختبر. نظرًا لتماثله مع RecA و Rad51 ، تم توقع أن يعرض Dmc1 السمات المميزة للتفاعلات التي يقوم أفراد عائلة RecA من خلالها بتعزيز التعرف على التماثل بين ssDNA وقالب DNA المزدوج لتعزيز تكوين جزيئات المفصل (الشكل 2) [23] . وصف العمل الرائد ، باستخدام بروتينات الإنسان والفأر المنقى ، الخصائص الهيكلية الأساسية [24] والأنشطة الأنزيمية لـ Dmc1 [25 ، 26]. يحتوي إنزيم المؤتلف المنقى على نشاط ATPase المعتمد على الحمض النووي ، ويرتبط بشكل تفضيلي بـ ssDNA ، ويحفز تكوين حلقات D في الحمض النووي الفائق الحلزوني (غزو حبلا).


الإصلاح التأشبي

أثناء كل من الانقسام الفتيلي والانقسام الاختزالي ، يمكن إصلاح أضرار الحمض النووي الناتجة عن مجموعة متنوعة من العوامل الخارجية (مثل الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية وعوامل الربط الكيميائي) عن طريق الإصلاح التأشبي المتماثل (HRR). [4] تشير هذه النتائج إلى أن أضرار الحمض النووي الناتجة عن العمليات الطبيعية ، مثل التعرض لأنواع الأكسجين التفاعلية التي هي منتجات ثانوية لعملية التمثيل الغذائي الطبيعي ، يتم إصلاحها أيضًا بواسطة HRR. في البشر والقوارض ، يؤدي النقص في المنتجات الجينية الضرورية لـ HRR أثناء الانقسام الاختزالي إلى العقم. [4] في البشر ، يؤدي النقص في المنتجات الجينية الضرورية لـ HRR ، مثل BRCA1 و BRCA2 ، إلى زيادة خطر الإصابة بالسرطان (انظر اضطراب نقص إصلاح الحمض النووي).

في البكتيريا ، التحول هو عملية نقل الجينات التي تحدث عادة بين الخلايا الفردية من نفس النوع البكتيري. يتضمن التحول دمج DNA المتبرع في الكروموسوم المتلقي عن طريق إعادة التركيب. يبدو أن هذه العملية هي تكيف لإصلاح أضرار الحمض النووي في الكروموسوم المتلقي بواسطة HRR. [5] قد يوفر التحول فائدة للبكتيريا المسببة للأمراض من خلال السماح بإصلاح تلف الحمض النووي ، وخاصة الأضرار التي تحدث في البيئة الالتهابية المؤكسدة المرتبطة بعدوى العائل.

عندما يصيب فيروسان أو أكثر ، يحتوي كل منهما على أضرار جينية قاتلة ، نفس الخلية المضيفة ، يمكن لجينومات الفيروس غالبًا أن تتزاوج مع بعضها البعض وتخضع لـ HRR لإنتاج ذرية قابلة للحياة. تمت دراسة هذه العملية ، التي يشار إليها باسم إعادة تنشيط التعددية ، في العاثيات T4 و lambda ، [6] وكذلك في العديد من الفيروسات المسببة للأمراض. في حالة الفيروسات المسببة للأمراض ، قد يكون إعادة التنشيط المتعدد فائدة تكيفية للفيروس لأنه يسمح بإصلاح أضرار الحمض النووي الناتجة عن التعرض للبيئة المؤكسدة الناتجة أثناء عدوى العائل. [5]


ما هو إعادة التركيب

يشير مصطلح إعادة التركيب إلى تبادل خيوط الحمض النووي ، مما ينتج عنه إعادة ترتيب جديدة للنيوكليوتيدات. يحدث بين المناطق ذات تسلسل النيوكليوتيدات المتشابهة عن طريق كسر أجزاء الحمض النووي وإعادة الانضمام إليها. إعادة التركيب هي عملية طبيعية تنظمها العديد من الإنزيمات والبروتينات. إعادة التركيب الجيني مهم في الحفاظ على السلامة الجينية وتوليد التنوع الجيني. الأنواع الثلاثة من إعادة التركيب هي إعادة التركيب المتماثل ، وإعادة التركيب الخاص بالموقع ، والتبديل. يمكن اعتبار كل من إعادة التركيب والتبديل الخاصة بالموقع بمثابة إعادة تركيب غير كروموسومي حيث لا يحدث تبادل لتسلسل الحمض النووي.

إعادة التركيب المتماثل

إعادة التركيب المتماثل مسؤول عن العبور الانتصافي بالإضافة إلى تكامل الحمض النووي المنقول في الخميرة والجينوم البكتيري. تم وصفه من قبل نموذج هوليداي. يحدث بين متواليات متطابقة أو متطابقة تقريبًا لجزيئين مختلفين من الحمض النووي يمكنهما مشاركة التماثل في منطقة محدودة. يظهر إعادة التركيب المتماثل أثناء الانقسام الاختزالي في الشكل 4.

الشكل 4: عبور الكروموسومات

إعادة التركيب الخاصة بالموقع

يحدث إعادة التركيب الخاص بالموقع بين جزيئات الحمض النووي ذات التسلسلات المتماثلة القصيرة جدًا. يشارك في تكامل الحمض النووي للعاثمة λ (λ DNA) أثناء دورة العدوى في بكتريا قولونية الجينوم.

التحويل

التحويل هو عملية تستخدم عن طريق إعادة التركيب لنقل أجزاء الحمض النووي بين الجينومات. أثناء التحويل ، تُحاط الينقولات أو عناصر الحمض النووي المتنقلة بزوج من التكرارات المباشرة القصيرة ، مما يسهل الاندماج في الجينوم الثاني من خلال إعادة التركيب.

إعادة التركيب هي فئة من الإنزيمات التي تحفز إعادة التركيب الجيني. تم العثور على recombinase ، RecA في بكتريا قولونية. في البكتيريا ، يحدث إعادة التركيب من خلال الانقسام الفتيلي ونقل المادة الوراثية بين الكائنات الحية. في الأركيا ، تم العثور على RadA على أنه إنزيم recombinase ، وهو أخصائي تقويم العظام لـ RecA. في الخميرة ، تم العثور على RAD51 على شكل recombinase وتم العثور على DMC1 على شكل recombinase محدد.


تتوفر حلول BrainMass للتنزيل الفوري

التصنيف التصنيفي للشمبانزي والبشر

ينتمي البشر إلى جنس Homo والشمبانزي إلى جنس Pan ، إلا أن الدراسات التي أجريت على جينات الرئيسيات تُظهر أن الشمبانزي والبشر أكثر ارتباطًا ببعضهم البعض من ارتباط كل منهم بأي حيوان آخر. في ضوء هذه النتيجة ، يقترح بعض الباحثين أنه يجب إعادة تسمية الشمبانزي كأعضاء في جنس الإنسان. ناقش في l

تحليل الأمراض الوراثية عبر عدة أجيال

في برنامج التعلم الذكي هذا ، يتم تكليفك بتحليل انتقال مرض وراثي عبر عدة أجيال. يشار إلى الذكور بالمربع ، والإناث بالدوائر. الأفراد المصابون بهذا المرض ملونون باللون الأسود الصلب. تكهن على الأساس الجيني الذي من خلاله يورث هذا المرض. إذا كان هناك أي ناقل معروف (أولئك الذين يحملون الجين ،

ترددات إعادة التركيب

هذا السؤال ينطوي على ذبابة الفاكهة. قم بترتيب وإعطاء مسافة الخريطة لهذه المواقع الثلاثة المتضمنة في هذا السؤال: بدون أجنحة (w) بدون أرجل (l) عربات التي تجرها الدواب (ب) الأنماط الظاهرية الموضحة أعلاه متنحية. يعطي التهجين بين الأنثى من النوع البري والذكر الذي يعبر عن جميع الأنماط الظاهرية المتنحية المذكورة أعلاه السلالة التالية:

تقنية الحمض النووي المؤتلف

تم تعزيز نظرية تكنولوجيا الحمض النووي المؤتلف واستخدامها في البحث العلمي ولديها الآن تطبيقات طبية عملية في العلاج الجيني. خلال العقدين الماضيين ، كان هناك تقدم كبير في علاج الأمراض الوراثية التي كان يعتقد في السابق أنها غير قابلة للشفاء. ناقش مقالة حالية فيها تقنية الحمض النووي المؤتلف

أليل الجلد الأزرق

ابتكر سيناريوهين مختلفين من شأنه زيادة تواتر أليل الجلد الأزرق: يجب أن يكون أحدهما لحالة متماثلة اللواقح والآخر لحالة متغايرة الزيجوت. للحصول على مثال من العالم الحقيقي ، راجع المعلومات حول فقر الدم المنجلي والملاريا. متماثل الزيجوت: متغاير الزيجوت:

إعادة التركيب الجيني بدائية النواة وأنواع العوامل

ناقش النوعين المختلفين من الأوبراونات الموجودة في الجينوم البكتيري (العوامل المحرضة والأوبرونات القابلة للقمع) ووصف كيفية عملها. بعد ذلك ، قم بوصف الأشكال الثلاثة المختلفة التالية لإعادة التركيب الجيني بدائية النواة: الاقتران ، والتحول ، والتنبيغ. افترض كيف يمكن أن تتعارض إعادة التركيب

الأليلات في النباتات الملونة

تعتبر snapdragons الوردية غير متجانسة بالنسبة للأليل الأحمر والأبيض فهي وردية لأن كلا الأليلين يظهران هيمنة غير كاملة. إذا تم عبور قراءة وأنف العجل الأبيض ، فيمكننا أن نتوقع أن يكون ذريتهم: أ. 25٪ أحمر ، 50٪ وردي ، 25٪ أبيض ب. 50٪ أحمر ، 50٪ أبيض ج. 75٪ وردي ، 25٪ أبيض د. 100٪ وردي

ما هو نوع الاختيار الموضح في هذا المثال

يرجى الاطلاع على الملف المرفق للحصول على وصف كامل للمشكلة. ما هو نوع الاختيار الموضح في هذا المثال؟ هل نقطة التوازن تحت هذا النوع من الاختيار مستقرة أم غير مستقرة؟ ما هو المصير طويل المدى لـ A والأليلات في هذه المجموعة السكانية؟

كيفية حساب تردد إعادة التركيب

احسب تردد إعادة التركيب بين RC4-124 و RC-280 بناءً على الأرقام المذكورة أعلاه.

تم زراعة 12000 F2 (304 أصلي F2) 134 فردًا مع ss في علامة واحدة و ns في العلامة الأخرى من أجل النمط الظاهري. ثم المستند المرفق ، في الجزء السفلي من الصفحة الأولى العمود 2 ، هناك بعض المعلومات التي قد تساعد.

احسب الملاءمة النسبية للدستور الجيني وتواترها بعد جيل واحد

1. مجموعة من الجربوع لها ثلاثة أشكال لونية ، ويتم تحديد اللون من خلال موضع واحد. BB أسود ، Bb بني ، bb أصفر. الأسود لديه فرصة 25٪ للبقاء على قيد الحياة حتى سن الرشد ، ولديه 10 ذرية كشخص بالغ. براون لديه فرصة 50٪ للبقاء على قيد الحياة حتى سن الرشد ، ولديه 5 ذرية كشخص بالغ.

يمكن حساب الأليلات السائدة والمتنحية في مجتمع ما باستخدام قانون هارديوينبيرج.

1. تخيل أن عدد سكانها 10000 شخص يعيشون في جزيرة منعزلة. في كل جيل ، يولد فرد واحد في المتوسط ​​مصابًا بالتليف الكيسي ، وهو مرض وراثي قاتل يسببه أليل متنحي (أي ، الأفراد المصابون بهذه الحالة هم cc ، والأفراد Cc غير متأثرين ، لكنهم يحملون الأليل) ما هي ترددات o

العمل مع الجينات والطفرات وإعادة التركيب

تم عزل ستة طفرات في منطقة rII من فج T4 بشكل مستقل. حدث إعادة التركيب لإنتاج ذرية من النوع البري بين كل هذه المسوخات. تم إجراء عدوى متعددة زوجية من سلالة كولاي K12 مع النتائج الموضحة أدناه. (عدد جزيئات الملتهمة المستخدمة في كل إصابة متعددة كان تقريبًا sa

إعادة التركيب في البكتيريا

تنقل سلالة Hfr معينة عادة العلامة + باعتبارها الأخيرة أثناء الاقتران. في تقاطع هذه السلالة مع سلالة F ، يتم استعادة بعض المؤتلفات المؤتلفة في وقت مبكر من عملية التزاوج. عندما يتم خلط هذه الخلايا المؤيدة مع الخلايا F ، يتم تحويل غالبية الأخيرة إلى خلايا pro + التي تحمل أيضًا

فهم إعادة التركيب في البكتيريا والفيروسات التي تصيب البكتيريا.

يتم عمل تقاطع بين Hfr met + thi + pur + X F- metthi- pur-. تظهر دراسات التزاوج المتقطع أن التقاء + يدخل المستلم أخيرًا ، لذلك يتم اختيار met + exconjugants على وسيط يحتوي على thi و pur فقط. يتم اختبار هذه العوامل المؤثرة على وجود ثي + و +. تم العثور على الأعداد التالية من الأفراد مع عصام

إعادة التركيب في البكتيريا والفيروسات التي تصيب البكتيريا

في E. coli ، تتبرع أربع سلالات Hfr بالعلامات الموضحة بالترتيب المعطى: السلالة 1 --- Q --- W - D - M - T strain 2 - A - X- - P - T - M سلالة 3 - B - N - C - A - X strain 4 - B - Q - W - D --- M جميع سلالات Hfr هذه مشتقة من نفس سلالة F +. ما هو ترتيب هذه العلامات على الكروموسوم الدائري لـ

إعادة التركيب في البكتيريا والفيروسات التي تصيب البكتيريا.

تم تصنيف أربع سلالات من النمط الجيني a + b- من E. coli 1،2،3 و 4. تم تصنيف أربع سلالات من النمط الجيني a- b + 5،6،7 و 8. يتم خلط الأنماط الجينية في جميع التوليفات الممكنة و (بعد الحضانة) مطلي لتحديد تواتر المؤتلف أ + ب +. تم الحصول على النتائج التالية ، حيث M = العديد من المؤتلف ، L =


الحمض النووي: النسخ المتماثل وإعادة التركيب والإصلاح

حمض الديوكسي ريبونوكلييك (DNA) هو جزيء ضخم يحمل المعلومات الجينية من جيل إلى جيل. إنها مسؤولة عن الحفاظ على هوية الأنواع على مدى ملايين السنين. يمكن اعتبار الحمض النووي بمثابة بنك احتياطي للمعلومات الجينية أو بنك ذاكرة.

تحتوي خلية جنينية واحدة من الثدييات على عدد قليل من البيكوجرامات (10-12 جم) من الحمض النووي. من المدهش أن هذه الكمية القليلة من الحمض النووي تخزن المعلومات التي ستحدد التمايز وكل وظيفة للحيوان البالغ.

لماذا تطور الحمض النووي كمادة وراثية؟

يمكن لجزيئات الحمض النووي الريبي ، من حيث المبدأ ، أداء الوظائف الخلوية التي يقوم بها الحمض النووي. في الواقع ، تحتوي العديد من الفيروسات على الحمض النووي الريبي كمادة وراثية. كيميائيًا ، الحمض النووي أكثر استقرارًا من الحمض النووي الريبي. ومن ثم ، خلال مسار التطور ، يُفضل الحمض النووي كجزيء أكثر ملاءمة لمستودع طويل الأمد للمعلومات الجينية.

العقيدة المركزية للحياة:

تتدفق المعلومات البيولوجية من DNA إلى RNA ومن هناك إلى البروتينات. هذه هي العقيدة المركزية للحياة (الشكل 3.1). في النهاية ، الحمض النووي هو الذي يتحكم في كل وظيفة للخلية من خلال تخليق البروتين.

بصفته حاملًا للمعلومات الجينية ، يجب تكرار (تكرار) الحمض النووي في الخلية والحفاظ عليه ونقله بدقة إلى الخلايا الوليدة. تم تصميم ثلاث عمليات متميزة لهذا الغرض. & # 8216three Rs & # 8217 لتكرار الحمض النووي وإعادة التركيب والإصلاح. هناك بعض السمات المشتركة بين الثلاثة روبية.

1. يتصرفون على نفس الركيزة (DNA).

ثانيًا. إنهم يهتمون في المقام الأول بصنع وكسر روابط الفوسفوديستر (العمود الفقري لبنية الحمض النووي).

ثالثا. معظم الإنزيمات المستخدمة في العمليات الثلاث متشابهة / قابلة للمقارنة.

تكرار الحمض النووي:

الحمض النووي هو المادة الجينية. عندما تنقسم الخلية ، تتلقى الخلايا الوليدة نسخة متطابقة من المعلومات الجينية من الخلية الأم. النسخ المتماثل هو عملية ينسخ فيها الحمض النووي نفسه لإنتاج جزيئات ابنة متطابقة من تكرار الحمض النووي ويتم تنفيذها بدقة عالية وهو أمر ضروري لبقاء النوع.

يعد تخليق جزيء DNA الجديد عملية معقدة تتضمن سلسلة من الخطوات. تم وصف السمات البارزة للنسخ المتماثل في بدائيات النوى أولاً. ويتبع ذلك بعض المعلومات الحديثة عن تكاثر حقيقيات النوى.

النسخ المتماثل في بدائيات النوى:

النسخ المتماثل هو شبه محافظ:

يحتوي الحمض النووي الوالد على شريطين مكونين و shytary لبعضهما البعض. يخضع كلا الخيطين لتكرار متزامن لإنتاج جزيئين ابنتين. يحتوي كل واحد من الدنا المُصنَّع حديثًا على نصف الحمض النووي الأبوي (خيط واحد من الأصل) ونصف الدنا الجديد (الشكل 3.2).

يُعرف هذا النوع من التكرار باسم شبه المحافظ حيث يتم حفظ نصف الحمض النووي الأصلي في الحمض النووي الابنة. تم تقديم أول دليل تجريبي لتكرار الحمض النووي شبه المحافظ بواسطة Meselson and Stahl (1958).

بدء النسخ المتماثل:

يحدث بدء تخليق الحمض النووي في موقع يسمى أصل النسخ المتماثل. في حالة بدائيات النوى ، يوجد موقع واحد بينما في حقيقيات النوى ، توجد مواقع منشأ متعددة. تتكون هذه المواقع في الغالب من تسلسل قصير من أزواج قاعدة A-T. يرتبط بروتين معين يسمى dna A (20-50 مونومرات) بموقع المنشأ للتكاثر. يؤدي هذا إلى فصل الحمض النووي مزدوج الشريطة.

فقاعات النسخ المتماثل:

ينفصل الخيطان التكميليان للحمض النووي في موقع التكرار لتشكيل فقاعة. تتشكل فقاعات النسخ المتعددة في جزيئات الحمض النووي حقيقية النواة ، وهو أمر ضروري لعملية النسخ المتماثل السريع (الشكل 3.3).

لتخليق الحمض النووي الجديد ، يلزم وجود جزء قصير من الحمض النووي الريبي (حوالي 5-50 نيوكليوتيدات ، متغير مع الأنواع) كأساس. يتم تصنيع هذا التمهيدي على قالب DNA بواسطة بوليميراز RNA محدد يسمى primase. يجب أن يحدث التركيب والتزويد المستمر لبادئات الحمض النووي الريبي على الخيط المتأخر من الحمض النووي. هذا على عكس الخيط الرئيسي الذي يحتوي على مادة أولية من الحمض النووي الريبي تقريبًا.

تخليق الحمض النووي هو شبه متقطع وثنائي الاتجاه:

يحدث تكرار الحمض النووي في 5 & # 8242 إلى 3 & # 8242 direc & shytions ، في وقت واحد ، على كل من خيوط الحمض النووي. على أحد الخيطين ، يكون الخيط الأمامي (المستمر أو الأمامي) —تخليق الحمض النووي مستمرًا. على الخيط الآخر ، الخيط المتأخر (المتقطع أو الرجعي) - تخليق الحمض النووي غير متماسك وغير متقطع. يتم إنتاج قطع قصيرة من الحمض النووي (15-250 نيوكليوتيدات) على الخيط المتأخر. في فقاعة النسخ ، يحدث تخليق الحمض النووي في كلا الاتجاهين (ثنائي الاتجاه) من نقطة الأصل.

شوكة النسخ المتماثل وتخليق الحمض النووي:

ينتج عن الفصل بين خيطي DNA الأصل تكوين شوكة النسخ المتماثل. يحدث التركيب النشط للحمض النووي في هذه المنطقة. تتحرك شوكة النسخ على طول الحمض النووي الأصل حيث يتم تصنيع جزيئات DNA الابنة.

هليكازات الحمض النووي:

ترتبط هذه الإنزيمات بكل من خيوط الحمض النووي عند شوكة النسخ المتماثل. تتحرك الهليكسات على طول حلزون الحمض النووي وتفصل الخيوط. وظيفتها قابلة للمقارنة مع الرمز البريدي. Helicases تعتمد على ATP لتزويد الطاقة.

بروتينات ربط الحمض النووي أحادية السلسلة (SSB):

تُعرف هذه أيضًا باسم البروتينات المزعزعة للاستقرار الحلزوني للحمض النووي. ليس لديهم نشاط إنزيم. ترتبط بروتينات SSB فقط بالحمض النووي أحادي الجديلة (مفصولة عن طريق الهليكازات) ، وتبقي السلاسل منفصلين وتوفر القالب لتخليق الحمض النووي الجديد. من المعتقد أن بروتينات SSB تحمي أيضًا تدهور الحمض النووي المفرد الذي تقطعت به السبل بواسطة نوكليازات.

تخليق الحمض النووي المحفز بواسطة DNA polymerase III:

يحدث تخليق خيط DNA جديد ، محفزًا بواسطة DNA polymerase III ، في الاتجاه 5 & # 8217— & gt3 & # 8242. هذا عكسي مع خيط DNA للقالب الأصلي. يعد وجود جميع ثلاثي فوسفات دي أوكسيريبو-نيوكليوزيد (dATP و dGTP و dCTP و dTTP) شرطًا أساسيًا لحدوث النسخ المتماثل.

يتم توليف خيطي DNA جديدين ، في وقت واحد ، في الاتجاه المعاكس - أحدهما في اتجاه (5 & # 8217 → 3 & # 8242) نحو شوكة النسخ المتماثل المستمر ، والآخر في اتجاه (5 & # 8217 → 3 & # 8242) بعيدًا عن شوكة النسخ المتماثل غير المستمرة (الشكل 3.4).

تتم إضافة ديوكسي ريبونوكليوتيدات الواردة واحدًا تلو الآخر ، إلى 3 & # 8242 نهاية سلسلة الحمض النووي المتنامية (الشكل 3.5). تتم إزالة جزيء بيروفوسفات (PPi) مع إضافة كل نوكليوتيد. يحدد خيط DNA النموذجي (الأصل) التسلسل الأساسي للحمض النووي التكميلي المركب حديثًا.

مشكلة القطبية:

يمكن إطالة حبلا DNA (الخيط الرئيسي) بنهايته 3 & # 8242 (3 & # 8242-OH) الموجهة نحو الشوكة عن طريق الإضافة المتسلسلة للنيوكليوتيدات الجديدة. يمثل حبلا الحمض النووي الآخر (الخيط المتأخر) بنهاية 5 & # 8242 بعض المشاكل ، حيث لا يوجد إنزيم بوليميريز DNA (في أي كائن حي) يمكنه تحفيز إضافة النيوكليوتيدات إلى الطرف 5 & # 8242 (على سبيل المثال 3 & # 8217 → 5 & # 8242 اتجاه) من السلسلة المتنامية. ومع ذلك ، يتم حل هذه المشكلة عن طريق تصنيع هذه الخصلة على شكل سلسلة من الأجزاء الصغيرة. هذه القطع مصنوعة في الاتجاه العادي 5 & # 8217 → 3 & # 8242 ، ثم تم ضمها معًا لاحقًا.

تسمى الأجزاء الصغيرة من الحمض النووي المركب بشكل متقطع بقطع أوكازاكي. يتم إنتاجها على الشريط المتأخر للحمض النووي الأصل. يتم ضم قطع Okazaki لاحقًا لتشكيل خيط مستمر من الحمض النووي. إن بوليميريز الحمض النووي I و DNA ligase مسؤولان عن هذه العملية (التفاصيل معطاة لاحقًا).

وظيفة إثبات القراءة لـ DNA polymerase III:

إخلاص النسخ المتماثل هو الأكثر أهمية لوجود الكائن الحي. إلى جانب وظيفتها التحفيزية الموجهة 5 & # 8217 → 3 & # 8242 ، فإن DNA polymerase III لديه أيضًا نشاط قراءة دليل. يقوم بفحص النيوكليوتيدات الواردة ويسمح فقط بإضافة القواعد المتطابقة بشكل صحيح (أي القواعد التكميلية) إلى حبلا الحمض النووي المتنامي. علاوة على ذلك ، يقوم بوليميراز الحمض النووي بتحرير أخطائه (إن وجدت) ويزيل قواعد النوكليوتيدات الموضوعة بشكل خاطئ.

استبدال الحمض النووي الريبي التمهيدي بالحمض النووي:

يستمر تركيب خيط DNA الجديد حتى يقترب من مادة RNA التمهيدي. الآن يأتي بوليميريز الحمض النووي الأول إلى الصورة. يزيل RNA التمهيدي ويأخذ مكانه. يحفز بوليميريز الحمض النووي I تخليق (اتجاه 5 & # 8217 → 3 & # 8242) لجزء من DNA الذي يحل محل RNA التمهيدي (الشكل 3.6).

يحفز إنزيم DNA ligase شكل وتكوين رابط phosphodiester بين DNA المركب بواسطة DNA polymerase III وشظايا DNA الصغيرة التي ينتجها DNA polymerase I. تتطلب هذه العملية - ختم النك - طاقة ، يتم توفيرها من خلال انهيار ATP إلى AMP و PPi . تم عزل إنزيم آخر - DNA polymerase II -. يشارك في عملية إصلاح الحمض النووي.

اللفائف الفائقة و DNA topoisomerases:

عندما ينفصل اللولب المزدوج للحمض النووي من جانب ويستمر التكرار ، تتشكل لفائف فائقة في الجانب الآخر. يمكن فهم تكوين الملفات الفائقة بشكل أفضل من خلال مقارنة حلزون الحمض النووي بحبلين ملتويين مرتبطين في أحد طرفيه. امسك الحبال من الطرف المربوط في وضع ثابت. ودع صديقك يسحب الحبال بعيدًا عن الجانب الآخر. لوحظ بشكل واضح تشكيل الملفات الفائقة.

يتم حل مشكلة الملفات الفائقة التي تأتي في طريق تكرار الحمض النووي من خلال مجموعة من الإنزيمات تسمى DNA topoisomerases. يقوم النوع الأول من DNA topoisomerase بتقطيع خيط DNA المفرد (نشاط نوكلياز) للتغلب على مشكلة الملفات الفائقة ثم يعيد إحكام الخيط (نشاط ligase). يقطع توبويزوميراز الحمض النووي من النوع الثاني (المعروف أيضًا باسم DNA gyrase) كلا الجدلين ويعيد إحكام غلقهما للتغلب على مشكلة الملفات الفائقة.

النسخ المتماثل في حقيقيات النوى:

يشبه تكرار الحمض النووي في حقيقيات النوى إلى حد كبير مثيل بدائيات النوى. ومع ذلك ، توجد اختلافات معينة. تعد الأصول المتعددة للنسخ المتماثل سمة مميزة للخلية حقيقية النواة. علاوة على ذلك ، هناك ما لا يقل عن خمسة بلمرات DNA متميزة معروفة في حقيقيات النوى.

تستخدم الأحرف اليونانية لترقيم هذه الإنزيمات:

1. بوليميريز DNA α هو المسؤول عن تخليق RNA التمهيدي لكل من خيوط الحمض النووي الرائدة والمتأخرة.

2. بوليميراز DNA β يشارك في إصلاح الحمض النووي. وظيفتها قابلة للمقارنة مع بوليميريز الحمض النووي الذي وجدته في بدائيات النوى.

3. بوليميراز DNA γ يشارك هذا الإنزيم في تكرار الحمض النووي للميتوكوندريا.

4. بوليميراز DNA δ مسؤول عن التكاثر على الشريط الرئيسي للحمض النووي. كما أنها تمتلك نشاط تدقيق للقراءة.

5. بوليميراز DNA ε يشارك في تخليق الحمض النووي على الخيط المتأخر ووظيفة إثبات القراءة.

تُستخدم الاختلافات في تكرار الحمض النووي بين البكتيريا والخلايا البشرية ، المنسوبة إلى الإنزيمات ، بنجاح في العلاج المضاد للبكتيريا لاستهداف تكاثر العوامل الممرضة (البكتيرية) وتجنيب الخلايا المضيفة (البشرية).

عملية النسخ المتماثل في حقيقيات النوى:

إن النسخ المتماثل على الحامل الرئيسي (المستمر) للحمض النووي بسيط نوعًا ما ، حيث يتضمن DNA polymerase ومشبك منزلق يسمى مستضد الخلية النووية المتكاثر (PCNA). تم تسمية PCNA بهذا الاسم لأنه تم اكتشافه لأول مرة كمستضد في نوى الخلايا المتكاثرة. يشكل PCNA حلقة حول الحمض النووي الذي يرتبط به DNA polymerase S. يتطلب تكوين هذه الحلقة أيضًا عاملًا آخر وهو عامل النسخ C (RFC).

يكون التكاثر على الخيط المتأخر (غير المستمر) في حقيقيات النوى أكثر تعقيدًا عند مقارنته بدائيات النوى أو حتى الخيط الرئيسي من حقيقيات النوى. هذا موضح في الشكل 3.7 ، ويتم وصفه بإيجاز أدناه.

يتم فصل الخيوط الأبوية للحمض النووي بواسطة إنزيم هيليكاز. يرتبط بروتين مرتبط بالحمض النووي أحادي السلسلة يسمى بروتين النسخ A (RPA) بالقالب المكشوف المفرد الذي تقطعت به السبل. تم فتح هذا الخيط بواسطة شوكة النسخ المتماثل (يظهر أيضًا في الشكل 3.4 جزء من Okazaki تم تشكيله مسبقًا مع أساس RNA).

يشكل إنزيم بريماز معقدًا مع DNA polymerase α الذي يبدأ تخليق شظايا Okazaki. إن نشاط Primase لمركب pol α-primase قادر على إنتاج 10-bp RNA التمهيدي. يتم بعد ذلك تحويل نشاط الإنزيم من مادة Primase إلى DNA polymerase α الذي يطيل التمهيدي بإضافة 20-30 deoxyribonucleotides. وهكذا ، من خلال عمل مجمع pol α-primase ، يتم تشكيل امتداد قصير من الحمض النووي المرتبط بـ RNA. والآن ينفصل المعقد عن الحمض النووي.

الخطوة التالية هي ربط عامل النسخ المتماثل C (RFC) بالبادئة الممدودة (قصيرة الحمض النووي الريبي). يعمل RFC كمحمل مشبك ويحفز تجميع جزيئات مستضد الخلايا النووية المتكاثرة (PCNA). يرتبط DNA polymerase 8 بالمشابك المنزلق ويطيل جزء Okazaki إلى الطول النهائي بحوالي 150-200 زوج قاعدي. من خلال هذا الاستطالة ، يقترب مجمع النسخ المتماثل من RNA التمهيدي لجزء Okazaki السابق.

يتم إجراء إزالة RNA التمهيدي بواسطة زوج من الإنزيمات هما RNase H و flap endonuclease I (FEND. تمتلئ هذه الفجوة الناتجة عن إزالة RNA من خلال الاستطالة المستمرة لجزء Okazaki الجديد (المنفذ بواسطة polymerase 8 ، الموصوف أعلاه). يتم إغلاق النك الصغير المتبقي أخيرًا بواسطة DNA ligase.

يرتبط الحمض النووي حقيقيات النوى ارتباطًا وثيقًا بالهيستونات (البروتينات الأساسية) لتكوين النيوكليوزومات التي بدورها تنتظم في الكروموسومات. أثناء عملية التكاثر ، يتم استرخاء الكروموسومات وتفكك النيوكليوزومات. تنفصل خيوط الحمض النووي عن النسخ المتماثل ، وترتبط الهستونات الأبوية بأحد السلاسل الأبوية.

مع استمرار توليف خيط DNA الجديد ، يتم أيضًا إنتاج الهيستونات في وقت واحد ، على الخيط الأم. في نهاية التكرار ، من ابنتيه تم تكوين الحمض النووي للكروموسومات ، تحتوي إحداهما على الهستونات الأبوية بينما تحتوي الأخرى على الهستونات المركبة حديثًا.

Inhibitors of DNA Replication:

Bacteria contain a specific type II topoisomerase namely gyrase. This enzyme cuts and reseals the circular DNA (of bacteria), and thus overcomes the problem of supercoils. Bacterial gyrase is inhibited by the antibiotics ciprofloxacin, novobiocin and nalidixic acid. These are widely used as antibacterial agents since they can effectively block the replication of DNA and multiplication of cells. These antibacterial agents have almost no effect on human enzymes.

Certain compounds that inhibit human topoisomerases are used as anticancer agents e.g. adriamycin, etoposide, doxorubicin. The nucleotide analogs that inhibit DNA replication are also used as anticancer drugs e.g. 6-mercaptopurine, 5-fluorouracil.

Cell Cycle and DNA Replication:

The cell cycle consists of four distinct phases in higher organisms—mitotic, G1, S and G2 phases (Fig. 3.8). When the cell is not growing, it exists in a dormant or un-dividing phase (G0). جي1 phase is characterized by active protein synthesis.

Replication of DNA occurs only once in S-phase and the chromosomes get doubled i.e. diploid genome gets converted into tetraploid. The entire process of new DNA synthesis takes place in about 8-10 hours and a large number of DNA polymerases (500-1,000) are simultaneously involved in this process. It is believed that methylation of DNA serves as a marker to inhibit replication. جي2 phase is characterized by enlargement of cytoplasm and this is followed by the actual cell division that occurs in the mitotic phase.

Cyclins and cell cycle:

Cyclins are a group of proteins that are closely associated with the transition of one phase of cell cycle to another, hence they are so named. The most important cyclins are cyclin A, B, D and E. The concentrations of cyclins increase or decrease during the course of cell cycle. These cyclins act on cyclin-dependent kinases (CDKs) that phosphorylate certain substances essential for the transition of one cycle to another.

Cyclins and cyclin-dependent kinases (CDK1, CDK2, CDK4, and CDK6) are intimately connected with the progression of cell cycle. For instance, cyclin D levels rise in late G1 phase which activate CDK4 and CDK6. This results in the assembly of nuclear proteins in a complex form in late G1 phase.

Cell cycle check points:

As depicted in Fig. 3.8, there occurs a continuous monitoring of the cell cycle with respect to DNA replication, chromosome segregation and integrity. If any damage to DNA is detected either in G1 or G2 phase of the cycle, or if there is a formation of defective spindle (i.e. incomplete chromosomal segregation), the cell cycle will not progress until appropriately corrected. If it is not possible to repair the damage done, the cells undergo apoptosis (programmed cell death).

Cancer and cell cycle:

Cancer represents an excessive division of cells. In cancer, a large quantity of cells are in mitosis and most of them in S-phase. Majority of the drugs used for cancer therapy are designed to block DNA replication or inhibit the enzymes that participate in replication (directly or indirectly). Methotrexate (inhibits dihydrofolate reductase) and 5-fluorouracil (inhibits thymidylate synthase) block nucleotide synthesis. In recent years, topoisomerase inhibitors are being used. They block the unwinding of parental DNA strands and prevent replication.

Telomeres and Telomerase:

There are certain difficulties in the replication of linear DNAs (or chromosomes) of eukaryotic cells. The leading strand of DNA can be completely synthesized to the very end of its template. This is not possible with the lagging strand, since the removal of the primer RNA leaves a small gap which cannot be filled (Fig. 3.9A).

Consequently, the daughter chromosomes will have shortened DNA molecules. This becomes significant after several cell cycles involving replication of chromosomes. The result is that over a period of time, the chromosomes may lose certain essential genes and the cell dies. This is however, avoided to a large extent.

Telomeres are the special structures that prevent the continuous loss of DNA at the end of the chromosomes during the course of replication. Thus, they protect the ends of the chromosomes, and are also responsible to prevent the chromosomes from fusing with each other. Telomeres are many repeat sequences of six nucleotides present at the ends of eukaryotic chromosomes. Human telomeres contain thousands of repeat TTACGC sequences, which can be up to a length of 1500 bp.

Role of telomerase:

Telomeres are maintained by the enzyme telomerase, also called as telomere terminal transferase. Telomerase is an unusual enzyme as it is composed of both protein and RNA. In case of humans, the RNA component is 450 nucleotides in length, and at the 5′-terminal and it contains the sequence 5′-CUAACCCUAAC-3′.

It may be noted that the central region of this sequence is complementary to the telomere repeat sequence 5′-TTAGGG-3′. The telomerase RNA sequence can be used as a template for extension of telomeres (Fig. 3.9B).

The telomerase RNA base pairs to the end of the DNA molecule with telomeres and extends to a small distance. Then translocation of telomerase occurs and a fresh extension of DNA takes place. This process of DNA synthesis and translocation is repeated several times until the chromosome gets sufficiently extended. The extension process gets completed through the participation of DNA polymerase and primase complex and sealing of the new DNA formed.

It may be noted here that as such the telomeres do not encode proteins. Hence, when extended by telomerase, they need not have to remain the same length, and some shortening will not pose any problem. During the course of repeated cell cycles, there occurs progressive shortening of telomeres, and this has to be prevented, which is appropriately carried out by telomerase.

Telomere in Senescence and Cancer:

Evidence is now forthcoming that telomerase is not active in all the mammalian cells. This is mainly because cells that have undergone differentiation no longer divide or divide only to a limited extent. Telomerase is highly active in the early embryo, and after birth it is active in the reproductive and stem cells.

Stem cells divide continuously throughout the lifetime of an organism to produce new cells. These cells in turn are responsible to tissues and organs in the functional state e.g. hematopoietic stem cells of bone marrow.

Many biologists link the process of telomere shortening with cell senescence (i.e. cell death). This is mainly based on the observations made in the in vitro mammalian cell cultures. However, some researchers question this relation between telomere shortening and senescence.

Cancerous cells are able to divide continuously. There is a strong evidence to suggest that the absence of senescence in cancer cells is linked to the activation of the enzyme telomerase. Thus, telomere length is maintained throughout multiple cell divisions. It is however, not clear whether telomerase activation is a cause or an effect of cancer.

There is however, evidence to suggest that telomerase activation is in fact the cause of certain cancers e.g. dyskeratosis congenita due to a mutation in the gene responsible for the RNA component of telomerase. The enzyme telomerase is an attractive target for cancer chemotherapy. The drugs have been designed to inactivate telomerase, and consequently induce senescence in the cancer cells. This in turn prevents the rapid cell proliferation.

إعادة التركيب:

Recombination basically involves the exchange of genetic information. There are mainly two types of recombination’s.

1. Homologous recombination:

This is also called as general recombination, and occurs between identical or nearly identical chromosomes (DNA sequences). The best example is the recombination between the paternal and maternal chromosomal pairs (Fig. 3.10).

2. Non-homologous recombination:

This is regarded as illegitimate recombination and does not require any special homologous sequences. Transposition is a good example of non­-homologous recombination. Random integration of outside genes into mammalian chromosomes is another example.

إعادة التركيب المتماثل:

It is a known fact that the chromosomes are not passed on intact from generation to generation. Instead, they are inherited from both the parents. This is possible due to homologous recombination. Three models have been put forth to explain homologous recombination’s.

ثالثا. Double-strand break model.

Holliday model (proposed by Holliday in 1964) is the simplest among the homologous recombination models. It is depicted in Fig. 3.11

The two homologous chromosomes come closer, get properly aligned, and form single-strand breaks. This results in two aligned DNA duplexes. Now the strands of each duplex partly unwind and invade in the opposite direction to form a two strands cross between the DNA molecules.

There occurs simultaneous unwinding and rewinding of the duplexes in such a way that there is no net change in the amount of base pairing, but the position of crossover moves. This phenomenon referred to as branch migration, results in the formation of heteroduplex DNA.

The enzyme DNA ligase seals the nick. The two DNA duplexes (4 strands of DNA), joined by a single crossover point can rotate to create a four-standard Holliday junction. Now the DNA molecules are subjected to symmetrical cuts in either of the two directions, and the cut ends are resealed by ligase.

The DNA exchange is determined by the direction of the cuts, which could be horizontal or vertical. If the cross strands are cut horizontally (cut 1), the flanking genes (or markers, i.e. AB/ab) remain intact, and no recombination occurs. On the other hand, if the parental strands are cut vertically (cut 2), the flanking genes get exchanged (i.e. Ab/aB) due to recombination.

Non-Homologous Recombination:

The recombination process without any special homologous sequences of DNA is regarded as non-­homologous recombination.

Transposition primarily involves the movement of specific pieces of DNA in the genome. The mobile segments of DNA are called transposons or transposable elements. They were first discovered by Barbara McClintock (in 1950) in maize, and their significance was ignored for about two decades by other workers.

Transposons are mobile and can move almost to any place in the target chromosome. There are two modes of transposition. One that involves an RNA intermediate and the other which does not involve RNA intermediate.

Transposition involving RNA intermediate represents retro transposition (Fig. 3.12). By the normal process of transcription, a copy of RNA formed from a transposon (also called as retro transposon). Then by the enzyme reverse transcriptase, DNA is copied from the RNA.

The newly formed DNA which is a copy of the transposon gets integrated into the genome. This integration may occur randomly on the same chromosome or, on a different chromosome. As a result of the retro transposition, there are now two copies of the transposon, at different points on the genome.

Some transposons are capable of direct transposition of DNA to DNA. This may occur either by replicative transposition or conservative transposition (Fig. 3.13). Both the mechanisms require enzymes that are mostly coded by the genes within the transposons.

In the replicative transposition, a direct interaction occurs between the donor transposon and the target site to result in copying of the donor element.

In case of conservative transposition, the transposon is excised and reintegrated at a new site.

DNA transposition is less common than retro transposition in case of eukaryotes. However, in case of prokaryotes, DNA transposons are more important than RNA transposons.

Significance of transposition:

It is now widely accepted that a large fraction of the human genome has resulted due to the accumulation of transposons. Short interspersed elements (SINEs) are repeats of DNA sequences which are present in about 500,000 copies per haploid human genome e.g. Alu sequences.

Long interspersed elements (LINEs) are also repeated DNA sequences and are present in about 50,000 copies in the human genome e.g. L1 elements. Some of the diseases caused by mutations are due to insertion of transoms into a genes.

Damage and Repair of DNA:

Being the carrier of genetic information, the cellular DNA must be replicated (duplicated), maintained, and passed down to the daughter cells accurately. In general, the accuracy of replication is extremely high. However, there do occur replication errors. It is estimated that approximately one error is introduced per billion base pairs during each cycle of replication. The cells do possess the capability to repair damages done to DNA to a large extent.

Consequences of DNA Damage:

Despite an efficient repair system for the damaged DNA, replication errors do accumulate that ultimately result in mutations. The human body possesses 10 14 nucleated cells, each with 3 × 10 9 base pairs of DNA. It is estimated that about 10 16 cell divisions occur in a lifetime. If 10 -10 mutations per base pair per cell generation escape repair, this results in about one mutation per 10 6 base pairs in genome.

Besides the possible errors in replication, the DNA is constantly subjected to attack by both physical and chemical agents. These include radiation, free radicals, and chemicals etc., which also result in mutations.

It is fortunate that a great majority of the mutations probably occur in the DNA that does not encode proteins, and consequently will not have any serious impact on the organism. This is not, however, all the time true, since mutations do occur in the coding regions of DNA also. There are situations in which the change in a single base pair in the human genome can cause a serious disease e.g. sickle-cell anemia.

Types of DNA Damages:

The damage done to DNA by physical, chemical and environmental agents may be broadly classified into four categories with different types (Table 3.1).

The DNA damage may occur due to single-base alterations (e.g. depurination, deamination), two- base alterations (e.g. pyrimidine diamer) chain breaks (e.g. ionizing radiation) and cross-linkages (e.g. between bases). Some selected DNA damages are briefly described. The occurrence of spontaneous deamination bases in aqueous solution at 37°C is well known. Cytosine gets deaminated to form uracil while adenine forms hypoxanthine.

Spontaneous depurination, due to cleavage of glycosyl bonds (that connect purines to the backbone) also occurs. It is estimated that 2000-10,000 purines may be lost per mammalian cell in 24 hours. The depurinated sites are called as abasic sites. Originally, they were detected in purines, and called apurinic sites (AP sites) which represent lack of purine. Now, the term AP sites is generally used to represent any base lacking in DNA.

The production of reactive oxygen species is often associated with alteration of bases e.g. formation of 8-hydroxy guanine. Free radical formation and oxidative damage to DNA increases with advancement of age. Ultraviolet radiations result in the formation of covalent links between adjacent pyrimidine’s along the DNA strand to form pyrimidine dimers. DNA chain breaks can be caused by ionizing radiations (e.g. X-rays).

الطفرات:

The genetic macromolecule DNA is highly stable with regard to its base composition and sequence. However, DNA is not totally exempt from gradual change. Mutation refers to a change in the DNA structure of a gene. The substances (chemicals) which can induce mutations are collectively known as mutagens. The changes that occur in DNA on mutation are reflected in replication, transcription and translation.

Types of mutations:

Mutations are mainly of two major types—point mutations, frame shift mutations (Fig. 3.14).

The replacement of one base pair by another results in point mutation. They are of two sub-types.

In this case, a purine (or a pyrimidine) is replaced by another.

These are characterized by replacement of a purine by a pyrimidine or vice versa.

2. Frame-shift mutations:

These occur when one or more base pairs are inserted in or deleted from the DNA, respectively, causing insertion or deletion mutations.

Consequences of point mutations:

The change in a single base sequence in point mutation may cause one of the following (Fig. 3.15).

The codon (of mRNA) containing the changed base may code for the same amino acid. For instance, UCA codes for serine and change in the third base (UCU) still codes for serine. This is due to degeneracy of the genetic code. Therefore, there are no detectable effects in silent mutation.

In this case, the changed base may code for a different amino acid. For example, UCA codes for serine while ACA codes for threonine. The mistaken (or missense) amino acid may be acceptable, partially acceptable or unacceptable with regard to the function of protein molecule. Sickle-cell anemia is a classical example of missense mutation.

Sometimes, the codon with the altered base may become a termination (or nonsense) codon. For instance, change in the second base of serine codon (UCA) may result in UAA. The altered codon acts as a stop signal and causes termination of protein synthesis, at that point.

Consequences of frame shift mutations:

The insertion or deletion of a base in a gene results in an altered reading frame of the mRNA (hence the name frame shift). The machinery of mRNA (containing codons) does not recognize that a base was missing or a new base was added. Since there are no punctuations in the reading of codons, translation continues. The result is that the protein synthesized will have several altered amino acids and/or prematurely terminated protein.

Mutations and cancer:

Mutations are permanent alterations in DNA structure, which have been implicated in the etiopathogenesis of cancer.

Repair of DNA:

As already stated, damage to DNA caused by replication errors or mutations may have serious consequences. The cell possesses an inbuilt system to repair the damaged DNA. This may be achieved by four distinct mechanisms (Table 3.2).

2. Nucleotide excision-repair

4. Double-strand break repair.

1. Base excision-repair:

The bases cytosine, adenine and guanine can undergo spontaneous depurination to respectively form uracil, hypoxanthine and xanthine. These altered bases do not exist in the normal DNA, and therefore need to be removed. This is carried out by base excision repair (Fig. 3.16).

A defective DNA in which cytosine is deaminated to uracil is acted upon by the enzyme uracil DNA glycosylase. This results in the removal of the defective base uracil. An endonuclease cuts the backbone of DNA strand near the defect and removes a few bases. The gap so created is filled up by the action of repair DNA polymerase and DNA ligase.

2. Nucleotide excision-repair:

The DNA damage due to ultraviolet light, ionizing radiation and other environmental factors often results in the modification of certain bases, strand breaks, cross-linkages etc. Nucleotide excision-repair is ideally suited for such large-scale defects in DNA. After the identification of the defective piece of the DNA, the DNA double helix is unwound to expose the damaged part.

An excision nuclease (exinuclease) cuts the DNA on either side (upstream and downstream) of the damaged DNA. This defective piece is degraded. The gap created by the nucleotide excision is filled up by DNA polymerase which gets ligated by DNA ligase (Fig. 3.17).

Xeroderma pigmentosum (XP) is a rare autosomal recessive disease. The affected patients are photosensitive and susceptible to skin cancers. It is now recognized that XP is due to a defect in the nucleotide excision repair of the damaged DNA.

Mismatch repair:

Despite high accuracy in replication, defects do occur when the DNA is copied. For instance, cytosine (instead of thymine) could be incorporated opposite to adenine. Mismatch repair corrects a single mismatch base pair e.g. C to A, instead of T to A.

The template strand of the DNA exists in a methylated form, while the newly synthesized strand is not methylated. This difference allows the recognition of the new strands. The enzyme GATC endonuclease cuts the strand at an adjacent methylated GATC sequence (Fig. 3.18). This is followed by an exonuclease digestion of the defective strand, and thus its removal. A new DNA strand is now synthesized to replace the damaged one.

Hereditary non-polyposis colon cancer (HNPCC) is one of the most common inherited cancers. This cancer is now linked with faulty mismatch repair of defective DNA.

Double-strand break repair:

Double-strand breaks (DSBs) in DNA are dangerous. They result in genetic recombination which may lead to chromosomal translocation, broken chromosomes, and finally cell death. DSBs can be repaired by homologous recombination or non-homologous end joining. Homologous recombination occurs in yeasts while in mammals, non-homologous and joining dominates.

Defects in DNA Repair and Cancer:

Cancer develops when certain genes that regulate normal cell division fail or are altered. Defects in the genes encoding proteins involved in nucleotide-excision repair, mismatch repair and re-combinational repair are linked to human cancers. For instance, HNPCC is due to a defect in mismatch repair.