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Recombinación y mutación genética

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¿Puede la recombinación genética producir mutaciones en función del nuevo ADN que se incorpora al genoma? Yo diría que sí, porque cuando entra algo extraño, es probable que el genoma no funcione correctamente.


Cuando dice "nuevo ADN que se incorpora al genoma", sugiere que no entiende qué es la recombinación genética. Debe asegurarse de comprender realmente este concepto antes de seguir adelante.

La tasa de mutación y la tasa de recombinación tienden a covariar en todo el genoma (Lercher y Hurst 2002). Entonces, sí, los procesos que conducen a eventos de recombinación también tienden a causar eventos mutacionales.


Recombinación genética

Definiciones

La recombinación genética se refiere al reordenamiento de las secuencias de ADN mediante la rotura y la unión de cromosomas o segmentos cromosómicos. También describe las consecuencias de tales reordenamientos, es decir, la herencia de nuevas combinaciones de alelos en la descendencia que portan cromosomas recombinantes. La recombinación genética es una característica programada de la meiosis en la mayoría de los organismos sexuales, donde asegura la segregación adecuada de los cromosomas. Debido a que la frecuencia de recombinación es aproximadamente proporcional a la distancia física entre marcadores, proporciona la base para el mapeo genético. La recombinación también sirve como mecanismo para reparar algunos tipos de daño potencialmente letal a los cromosomas.

La recombinación genética se usa a menudo como un término general que incluye muchos tipos de reordenamientos del ADN y procesos moleculares subyacentes. La recombinación meiótica es un ejemplo de una reacción que involucra secuencias de ADN que están emparejadas y son homólogas en longitudes muy extendidas. Este tipo de proceso, que se ilustra en Figura 1 , se denomina recombinación general, legítima u homóloga. La recombinación de este tipo es recíproca, porque cada cromosoma participante recibe información comparable a la que dona al otro socio. El evento mostrado en Figura 1 también se designa como un cruce, ya que se ha intercambiado toda la información en ambos lados de la ruptura efectiva.

Figura 1 . Diagrama simplificado de un evento de recombinación meiótica. Las barras verticales indican cromátidas individuales (es decir, moléculas de ADN), los óvalos son centrómeros. Imaginamos dos pares de cromátidas hermanas después de la síntesis de ADN premeiótico que se distinguen por el color y por marcadores genéticos en ubicaciones Automóvil club británico y Cama y desayuno. Si la meiosis procediera sin recombinación, los marcadores segregarían 2: 2 en pares enlazados en los gametos o esporas resultantes, como se indica debajo del diagrama de la izquierda. Si tiene lugar un evento de recombinación recíproca entre los dos marcadores, las relaciones de enlace se cambian, produciendo dos nuevas cromátidas como se muestra y finalmente cuatro productos haploides distintos.

La conversión de genes es una forma de recombinación homóloga que no es recíproca. Esto se reconoce por la recuperación de números desiguales de marcadores parentales en un locus particular, y se muestra un ejemplo simple en Figura 2 . Los eventos de conversión pueden ir acompañados de un cruce o no (como se muestra en Figura 2 ). En el último caso, la conversión parece un doble cruce muy localizado, pero no es recíproco y es probable que sea el resultado de un solo evento.

Figura 2 . Ilustración de un evento de conversión genética. A diferencia de la recombinación recíproca que se muestra en Figura 1 , la información se ha transferido solo de un padre a otro, y la extensión de la información intercambiada es menor.

La recombinación homóloga también puede ocurrir entre cromosomas homólogos o cromátidas hermanas en células mitóticas. Además, pueden tener lugar eventos esencialmente análogos entre secuencias homólogas que están presentes en diferentes ubicaciones de cromosomas no homólogos, lo que a menudo se denomina "recombinación ectópica". La recombinación que implica una homología muy limitada o nula entre las secuencias de ADN que interactúan se denomina recombinación ilegítima o no homóloga. A veces, unos pocos pares de bases coincidentes (pb) se ven precisamente en uniones de recombinación ilegítimas, y estas se denominan microhomologías. Un evento apoyado por homologías de 100 pb o más típicamente se clasificaría como homólogo, una coincidencia de 10 pb o menos sería no homóloga y evidentemente hay un área gris en el medio.

En los eventos de recombinación conservadora, el número de copias de los cromosomas o secuencias de ADN que interactúan se mantiene durante el proceso, mientras que en los eventos no conservadores, dos copias originales se reducen a una en el producto. Esta distinción se puede hacer tanto para la recombinación homóloga como para la no homóloga.

Los eventos de recombinación específicos del sitio están mediados por enzimas de recombinación específicas de secuencia a menudo codificadas por virus o elementos transponibles. Los procesos moleculares que catalizan pueden depender de tramos muy cortos de homología entre los ADN que interactúan, o pueden ser completamente no homólogos.


¿Qué es la mutación?

La mutación se define como cambios a pequeña escala en la secuencia de nucleótidos de un genoma y el los cambios no se corrigen reparando enzimas. Estas mutaciones pueden ser cambios de una sola base (mutaciones puntuales), inserción o eliminación a pequeña escala. Los agentes causantes de mutaciones se conocen como mutágenos. Los mutágenos más comunes son la replicación errónea, los productos químicos y la radiación. Los productos químicos y la radiación alteran la estructura del nucleótido y, si la alteración no se repara, la mutación será permanente.

Hay varias enzimas que reparan estas mutaciones del ADN, como la metil guanina, la metil transferasa y la ADN polimerasa III. Estas enzimas buscarán errores y daños antes del inicio de la división celular (pre-replicativa) y después de la división celular (post-replicativa).

La mutación en la región de codificación (es decir, las regiones del ADN donde se almacena la secuencia de traducción de la proteína) puede ser dañina para la célula, el órgano o el organismo (la mutación puntual en la tercera base de un codón generalmente no causa ningún daño & # 8211 mutación silenciosa).

Por ejemplo: & # 8211 la anemia de células falciformes es una enfermedad causada por una mutación puntual.

Es menos probable que las mutaciones en el ADN no codificante causen algún daño aunque, si se hereda, puede ser perjudicial si la mutación está causando la activación de genes silenciosos.

Se sabe que las mutaciones de inserción o deleción cambian el marco de lectura (mutaciones de cambio de marco) que conduce a una síntesis de proteínas defectuosa que causa enfermedades mortales en los seres humanos.

Aunque la mayoría de las mutaciones son dañinas, existen algunas mutaciones que son beneficiosas. Por ejemplo, la mayoría de los europeos son resistentes a la infección por VIH debido a que se produjo una mutación puntual durante la evolución.


Recombinación genética (con diagrama) | Biología Molecular

Hagamos un estudio en profundidad de la recombinación genética. Después de leer este artículo, aprenderá sobre: ​​1. Recombinación bacteriana 2. Holliday Junction Modelo 3. Dos uniones de Holliday 4. Enzimas de recombinación homóloga y 5. Papel de la proteína Rec A en la recombinación genética homóloga.

Introducción a la recombinación genética:

La recombinación de ADN tiene lugar por mutación, intercambio de cadenas de ADN e incorporación de ADN. En este proceso, la información genética se reordena entre los cromosomas que poseen secuencias similares. La recombinación genética homóloga ocurre en eucariotas en el momento de la formación de gametos durante la profase I larga de la meiosis.

Cada cromosoma tiene dos cromátidas hermanas, cada una de las cuales contiene un ADN dúplex. Los cromosomas homólogos (uno materno y el otro paterno) se emparejan entre sí, el emparejamiento se conoce como sinapsis e involucra la longitud completa de los cromosomas homólogos.

La recombinación se produce al cruzar. Implica el intercambio recíproco de segmentos cromosómicos entre cromátidas no hermanas de un par homólogo que implica la rotura y la reunión posterior en una nueva disposición. El quiasma se forma en el sitio del cruce. Están involucradas enzimas como helicasas, endonucleasas y ligasas.

La recombinación genética provoca una reordenación de genes que producen genotipos y fenotipos completamente nuevos. Estos provocan variaciones que conducen a la evolución. En los seres humanos ocurren alrededor de 30 eventos de recombinación homóloga durante cada meiosis. Los eventos de recombinación son mucho más en bacterias e incluso más en hongos.

El estudio de la meiosis en plantas de lirio por Herbert Stern y Yasuo Hotta ha proporcionado pruebas contundentes de recombinación. Los meiocitos de los botones florales de los lirios se dividen sincrónicamente. También se ha descubierto que la endonucleasa, la ADN polimerasa, la ligasa y otras enzimas reparadoras están presentes en la profase temprana.

La mecánica del nivel molecular de intercambio se estudia en detalle en bacterias y fagos. En la actualidad, restringiremos nuestra discusión al mecanismo de recombinación donde las cadenas de ADN se reconocen por cadenas complementarias unidas por pares de bases. En las bacterias, la recombinación genética ocurre durante la conjugación, transformación, transducción, reparación post-replicación, durante la reparación de roturas de doble hebra en el ADN, integración del ADN del fago con el ADN cromosómico y transposones, etc. La recombinación homóloga puede conducir a la conversión de genes.

Recombinación bacteriana:

Las bacterias son haploides, por lo tanto, no sufren meiosis. Poseen solo una molécula o cromosoma de ADN bicatenario. Existen varios tipos de recombinación genética en microorganismos. La recombinación más común es el intercambio recíproco entre secuencias de ADN homólogas.

Durante la recombinación genética, por lo general, solo una parte del material genético de una célula donante se transfiere a una célula receptora. El ADN de la célula receptora y el donante se emparejan e intercambian recíprocamente hebras de ADN cruzando. Esto da lugar a una nueva constitución genética de la célula receptora con nuevos caracteres. Células hijas posteriores que contienen solo cromosomas recombinados.

Existen los siguientes métodos principales mediante los cuales tiene lugar la recombinación de material genético en bacterias.

1. Recombinación homóloga:

El ADN de la célula donante se recombina con el ADN del receptor mediante el intercambio recíproco de cadenas de ADN. Las moléculas de ADN recombinante tienen secuencias homólogas. Las moléculas de ADN se alinean o se emparejan entre sí y experimentan cruzamiento y recombinación homóloga. El ADN recombinante tiene una nueva constitución genética.

Las bacterias pueden adquirir ADN de otras especies bacterianas estrechamente relacionadas y pueden transformarse. Esto se conoce como transformación. La transformación fue demostrada por primera vez por Griffith en la bacteria Diploccous pneumoniae para confirmar el ADN como material genético. La recombinación homóloga es catalizada por la proteína rec A.

2. Recombinación no homóloga:

También es bastante frecuente la recombinación entre segmentos de ADN que no tienen regiones homólogas. Aquí tiene lugar la adición o inserción de una pequeña secuencia de ADN en un ADN receptor. Ocurre principalmente por salto de genes o transposones. Estas secuencias de ADN móviles saltan regularmente a una nueva ubicación en cualquier parte del genoma. A menudo, los elementos transponibles se replican para generar dos copias. Una copia permanece en el sitio original mientras que la otra salta al sitio de destino.

3. Recombinación específica del sitio:

Cuando el fago λ (lambda) infecta la bacteria E. coli, el ADN del fago λ se inserta en el ADN de la bacteria. De esta manera, el ADN del fago se integra en el ADN del hospedador y pasa a formar parte del cromosoma del hospedador. La bacteria que contiene un conjunto completo de ADN de fago se llama lisógeno. El ADN del fago se inserta en un sitio específico en el ADN del huésped.

El sitio de unión de ambos ADN posee una secuencia idéntica de 15 pares de bases. Una proteína codificada por fagos llamada integrasa cataliza la integración. También está involucrada una proteína del huésped llamada factor de integración del huésped (IGF). La integrasa es una enzima topoisomerasa que rompe, rota y luego vuelve a unir las hebras de ambas moléculas. En eucariotas, la recombinación específica de sitio produce diversidad de anticuerpos.

Modelo de cruce de Holliday:

Se han propuesto varios modelos para explicar la recombinación genética homóloga basados ​​principalmente en la observación genética en bacterias y hongos. Ahora se sabe que una cierta cantidad de síntesis de ADN también tiene lugar durante la recombinación. Las enzimas de reparación y replicación del ADN están presentes en el momento de la recombinación genética.

En 1964 Robin Holliday propuso un modelo para explicar el proceso molecular involucrado durante el intercambio de ADN entre dos moléculas de ADN bicatenario homólogas.

Los pasos clave de este modelo son los siguientes:

En primer lugar, tiene lugar el emparejamiento o alineación o sinapsis entre dos dúplex de ADN homólogos. Sus secuencias son perfectamente idénticas excepto que pueden contener pequeñas regiones de diferentes genes llamados alelos.

Luego, se producen roturas o mellas en sitios idénticos en una hebra de ADN de ambos dúplex de ADN homólogos precisamente en el mismo punto. Los extremos rotos de las hebras luego invaden las hebras complementarias opuestas creando regiones heterodúplex cortas (debido a los diferentes alelos). Este proceso se llama invasión de hebras. Esta estructura cruzada formada se llama cruce de vacaciones.

El cruce de Holliday se mueve en dirección lateral. Durante este proceso, una hebra de ADN se intercambia progresivamente con una hebra de ADN de la otra hélice. Esta migración lateral de la unión de Holliday se denomina migración de rama. Los pares de bases originales se rompen en moléculas parentales y se forman nuevos pares de bases en hebras recombinadas.

Si los dos moelcuelos tienen alelos alternativos, A / a, B / by C / c, entonces el intercambio de hebras de ADN durante la migración de ramas produce regiones de doble hebra que no son idénticas. Estos regios que no coinciden se denominan heterodúplex. Durante la migración de las ramas, la región heterodúplex se alarga.

La rotura y la posterior reunión conducen a la formación de esta molécula conjunta compuesta por cuatro hebras de ADN entrelazadas.

La característica clave de la unión de Holliday es la escisión o corte a través del punto de cruce que resuelve o separa las moléculas recombinadas. Para exponer dos sitios de corte, la unión de Holliday se gira 180 ° para formar una estructura plana cuadrada. La resolución de la unión de Holliday se produce cortando las hebras de ADN en el sitio del cruce y volviéndolas a unir.

La resolución se produce de una de las dos formas. Esto da lugar a dos clases de productos de ADN. El sitio de corte 1 escinde las dos hebras que se rompieron inicialmente al comienzo del proceso de recombinación (se cortan las hebras invasoras). La resolución produce dos moléculas no recombinantes ya que solo ha tenido lugar el intercambio de alelos en la región media del dúplex B / byb / B. Por tanto, se forma un parche de ADN híbrido. Estas moléculas se conocen como productos de parche.

El sitio de corte 2 escinde (se cortan las hebras no invasoras) y vuelve a unir dos dúplex de tal manera que se intercambian genes flanqueantes o periféricos. Aquí el ADN se recombina recíprocamente. El cruce se produce entre los genes A y C.

Recombinación de intercambio de una sola hebra:

Según Mesclson y Radding, una ruptura de una sola hebra en una de las dos moléculas de ADN homólogas es bastante común.

El extremo libre de la hebra rota invade la doble hélice ininterrumpida y desplaza una hebra. Rec Una proteína tiene la capacidad de extraer una sola hebra y desplazarla. Exonuplease degrada el bucle de ADN monocatenario desplazado. La hebra ininterrumpida de la primera molécula sirve como molde para sintetizar la nueva hebra.

Dos cruces de Holliday:

Las roturas bicatenarias en ambas cadenas de una molécula de ADN ocurren con bastante frecuencia. Durante la reparación del ADN de roturas bicatenarias, se produce la recombinación homóloga & # 8217s. Este tipo de recombinación genética se denomina mecanismo de reparación de rotura de doble cadena. Este tipo de roturas pueden deberse a radiaciones ionizantes y diversos agentes dañinos.

Degeneración de hebras rotas y generación de colas de hebra única (colas ss) con 3 tendencias.

Enzymes Rec BCD degrada aún más las hebras de ADN rotas. Genera colas monocatenarias con extremos 3 y # 8242. Una cola del extremo 3 & # 8242 invade la otra molécula de ADN homóloga intacta, desplazando una de las hebras. El extremo invasor 3 & # 8242 sirve como cebador para la nueva síntesis de ADN. La hebra desplazada sirve como plantilla para llenar el espacio dejado en el primer ADN. Si diferentes alelos están presentes en el sitio de ruptura, se pierden permanentemente ya que la regeneración involucra ADN homólogo como molde que tiene diferentes alelos. Este proceso se denomina conversión genética porque los genes de la hebra rota son reemplazados por genes del ADN homólogo.

En la reparación de roturas de doble hebra, se crean dos uniones Holliday. Estas uniones de Holliday se mueven lateralmente por migración de ramas y la división se resuelve y separa las dos moléculas de ADN formando una estructura cruzada y una no cruzada. Esto es similar a la resolución en el cruce único de Holliday.

Enzimas de recombinación homóloga:

Hay varias proteínas que catalizan varios pasos en el proceso de homologación. recombinación en E. coli.

Las enzimas Rec BCD se cargan en un extremo del ADN de doble hebra que se rompen y se mueven a lo largo del ADN. (Rec-recombinación). En el proceso, desenrolla el ADN (actividad helicoidal) y degrada una o ambas cadenas de ADN (actividad nucleasa). Rec BCD es una enzima endonucleasa.

Está codificado por tres genes, Rec B, Rec C y Rec D. Rec BCD continúa su actividad degradante hasta que alcanza un sitio chi (%). En este punto, se detienen las actividades de Rec BCD. El sitio chi tiene ocho nucleótidos. 5 y # 8242 GCTGGTGG 3 y # 8242. Los sitios chi promueven la recombinación.

Las colas de ADN de una sola hebra generadas por las enzimas BCD están recubiertas por la enzima Rec A. Rec A estimula el emparejamiento o sinopsis entre dos moléculas de ADN homólogas. Rec A también promueve la invasión de hebras, desplazando una hebra de molécula de ADN intacta y formando un bucle D-. La hebra desplazada invade la molécula de ADN rota. Las porciones faltantes de hebras de ADN se sintetizan utilizando hebras homólogas como molde y los huecos se sellan con enzima ligasa.

Las enzimas Ruv AB reconocen y se unen a la unión de Holliday y realizan la migración de las ramas. La enzima Ruv C corta las hebras de ADN en la unión de Holliday y provoca la separación y resolución de la unión de Holliday.

Diferentes procesos biológicos como la replicación, recombinación y reparación ocurren de manera coordinada. De esta manera, se puede sintetizar nuevo ADN, reparar el ADN dañado y se produce la recombinación genética. Las secuencias de nucleótidos se pueden reemplazar mediante heterodúplex y conversión génica.

Papel de la proteína Rec A en la recombinación genética homóloga:

En los diversos modelos de recombinación genética homóloga, las características centrales son similares en todos los modelos de recombinación.

Estos incluyen roturas o mellas en moléculas de ADN. Alineación o emparejamiento o sinapsis de secuencias homólogas de dos moléculas de ADN diferentes. Formación de una estructura cruzada o unión de Holliday en la que la hebra de ADN de cada molécula crea regiones cortas de ADN heteroduplux. Extensión del ADN heterodúplex, que se denomina migración ramificada. Por último, resolución de la unión cruzada para producir productos finales.

Este es un proceso extremadamente complejo que involucra la acción de varias enzimas diferentes. El primer evento de creación de roturas o micks en las hebras de ADN y el último evento de resolución son realizados por varias enzimas como helicasa, nucleasa y ligasas.

Pero el evento a partir del emparejamiento de moléculas de ADN, la formación de la migración de la rama de unión de Holliday son las características centrales en el proceso de recombinación. Estos eventos son realizados por una proteína especial llamada proteína Rec A. La proteína Rec A está involucrada en el apareamiento, el intercambio de hebras y la migración de las ramas. También se conoce como proteína de intercambio de cadena.

La proteína Rec A juega un papel importante en la recombinación homóloga. Es una proteína especial, una clase de enzimas completamente distinta.

La proteína Rec A se une rápidamente al ADN monocatenario a lo largo del esqueleto de fosfato de la hélice del ADN. El ADN está completamente cubierto por la proteína Rec A. Junto con la rec A, también está involucrada una segunda proteína llamada proteína de unión de una sola hebra (proteína SSB). Cada molécula de Rec A tiene 352 aminoácidos. Hay un monómero rec A cada 3-4 nucleótidos de ADN.

Luego, el ssDNA en dúplex se alinea con la secuencia homóloga de la otra molécula de ADN. En este proceso ocurren varios pasos. Se producen dos tipos de interacciones homólogas. La primera es la formación de articulaciones paranemicas en hebras homólogas alineadas. La segunda interacción final implica la formación de articulaciones plactonémicas.

La proteína Rec A es una ATPasa dependiente de ADN. La hidrólisis de ATP es necesaria para la migración de las ramas, en la que las hebras se reemplazan y se produce el intercambio de hebras. Exhibe polaridad a medida que la migración de las ramas avanza en la dirección 5 & # 8242 - & gt 3 & # 8242 solamente.

Intercambio de hebras de ADN:

El papel del intercambio de hebras en la reparación posterior a la replicación es muy importante en E. Coli. El intercambio de hebras juega un papel muy importante en la reparación del daño del ADN. A medida que la horquilla de replicación que avanza se encuentra con una lesión o un sitio dañado, como los dímeros de timina, se pasa por alto durante el proceso de replicación. La proteína dañada se puede escindir, lo que puede resultar letal.

La reparación de esta lesión requiere la conversión de este ADN en ADN de doble hebra y esto se logra mediante la proteína rec A. La proteína Rec A desempeña su papel en la recuperación de una porción de la hebra complementaria del otro lado de la horquilla de replicación para llenar el espacio. Esto implica la migración de ramas por la proteína Rec A. Esto prueba que la migración de ramas es una actividad esencial de la célula.


El mapeo cromosómico localiza mutaciones en cromosomas particulares

La localización de una mutación en un cromosoma particular es el primer paso en el mapeo genético de un gen definido por mutación. Un ejemplo simple involucra mutaciones recesivas en el cromosoma X en Drosophila. (En las moscas de la fruta, como en los humanos, los machos son genotípicamente XY y las hembras XX). Recesivo ligado al cromosoma X mutaciones exhiben un distintivo ligado al sexo patrón de segregación en varios cruces (Figura 8-16). Los machos mutantes apareados con hembras homocigotas normales no producen progenie fenotípicamente afectada. Si la hembra es homocigótica para la mutación, todos los hijos tendrán el fenotipo mutante y todas las hijas serán heterocigotas y, por lo tanto, no se verán afectadas. Si las hembras son heterocigotas, son fenotípicamente normales, pero actúan como portadores, transmitiendo el alelo mutante al 50 por ciento de su progenie masculina. Por tanto, cualquier mutación recesiva para la que se observan estos patrones de segregación ligada al sexo puede mapearse en el cromosoma X.

Figura 8-16

Patrón de segregación único de rasgos recesivos ligados al cromosoma X. En este ejemplo, se muestra la segregación de los cromosomas X mutantes (amarillo) y de los cromosomas X de tipo salvaje (azul). La observación de este patrón de segregación para un rasgo fenotípico mutante mapea el gen afectado (más.)

Las enfermedades genéticas humanas exhiben varios patrones de herencia dependiendo de la naturaleza de las mutaciones que las causan. Por ejemplo, la distrofia muscular de Duchenne (DMD), una enfermedad degenerativa del músculo que afecta específicamente a los hombres, es causada por una mutación recesiva en el cromosoma X. Esta mutación clínicamente importante exhibe el patrón típico de segregación ligada al sexo (figura 8-17a).

Figura 8-17

Patrones de segregación para tres enfermedades genéticas humanas. Los cromosomas de tipo salvaje se indican mediante un signo más en superíndice. (a) La distrofia muscular de Duchenne es causada por una mutación recesiva en el gen DMD en el cromosoma X, que exhibe la típica segregación ligada al sexo (más.)

A diferencia de la DMD, la fibrosis quística es el resultado de una mutación recesiva en un autosoma. Tal autosómica recesiva las mutaciones exhiben un patrón de segregación bastante diferente. Primero, tanto los hombres como las mujeres pueden verse afectados por la fibrosis quística. En segundo lugar, ambos padres deben ser portadores heterocigotos de un mutante. CFTR alelo para que sus hijos corran el riesgo de verse afectados por la enfermedad. Cada hijo de padres heterocigotos tiene un 25 por ciento de posibilidades de recibir ambos CFTR alelos y, por lo tanto, ser afectado tiene una probabilidad del 50 por ciento de recibir un alelo normal y uno mutante y, por lo tanto, de ser portador, y una probabilidad del 25 por ciento de recibir dos alelos normales (Figura 8-17b).

Dominante autosómico las mutaciones están asociadas con un tercer patrón de segregación. La enfermedad de Huntington & # x02019s, una enfermedad degenerativa neural que generalmente ataca a mediados o finales de la vida, es causada por este tipo de mutación. Si alguno de los padres lleva un mutante HD alelo, cada uno de sus hijos (independientemente del sexo) tiene un 50 por ciento de posibilidades de heredar el alelo mutante y ser afectado (Figura 8-17c).

El mapeo de un gen a un autosoma específico es más complicado que para los genes ligados al cromosoma X. Una vez que se ha asignado una mutación a un cromosoma en particular, se puede usar como marcador para identificar otras mutaciones ubicadas en ese cromosoma. En los seres humanos, pequeñas diferencias o polimorfismos en las secuencias de ADN entre individuos sirven como marcadores moleculares.


8.4: Ventajas de la recombinación genética

  • Contribuido por Ross Hardison
  • T. Ming Chu Profesor (Bioquímica y Biología Molecular) en la Universidad Estatal de Pensilvania

La recombinación no solo es necesaria para el apareamiento homólogo durante la meiosis, sino que la recombinación tiene al menos dos beneficios adicionales para las especies sexuales. Crea nuevas combinaciones de alelos a lo largo de los cromosomas y restringe los efectos de las mutaciones principalmente a la región alrededor de un gen, no a todo el cromosoma.

Dado que cada cromosoma sufre al menos un evento de recombinación durante la meiosis, se generan nuevas combinaciones de alelos. La disposición de los alelos heredados de cada progenitor no se conserva, sino que las nuevas células germinales portan cromosomas con nuevas combinaciones de alelos de los genes (figura 8.4). Esta mezcla de combinaciones de alelos es una rica fuente de diversidad en una población.

Figura 8.4. La recombinación durante la meiosis genera nuevas combinaciones de alelos en la descendencia. Se ilustra un par homólogo de cromosomas, comenzando en la etapa & ldquofour-strand & rdquo. Cada línea es una molécula de ADN dúplex en una cromátida. Los dos cromosomas del padre (heredados de los abuelos paternos) son azul y verde, los cromosomas homólogos de la madre (heredados de los abuelos maternos) son de color marrón y rosa. Todos los cromosomas tienen genes A, B y C diferentes números se refieren a diferentes alelos. En esta ilustración, un cruce en el brazo corto del cromosoma durante el desarrollo de las células germinales masculinas vincula el alelo 4 del gen C con el alelo 1 del gen A y el alelo 2 del gen B, así como la disposición recíproca. Se ilustra un cruce en el brazo largo del cromosoma para el desarrollo de la célula germinal femenina, lo que genera la nueva combinación A3, B3 y C1. Un niño puede tener los nuevos cromosomas A1B2C4 y A3B3C1. Tenga en cuenta que ninguna de estas combinaciones estaba en el padre o en la madre.

Con el tiempo, la recombinación separará los alelos en un locus de los alelos en un locus ligado. Un cromosoma a través de generaciones no es fijo, sino que es "fluido" y tiene muchas combinaciones diferentes de alelos. Esto permite que los alelos no funcionales (menos funcionales) se eliminen de una población. Si no se produce la recombinación, entonces un alelo mutante deletéreo provocaría la eliminación de un cromosoma completo de la población. Sin embargo, con la recombinación, el alelo mutante se puede separar de los otros genes de ese cromosoma. Entonces, la selección negativa puede eliminar los alelos defectuosos de un gen de una población al tiempo que afecta la frecuencia de los alelos solo de los genes en estrecho vínculo con el gen mutante. Por el contrario, los raros alelos beneficiosos de los genes pueden probarse en una población sin estar vinculados irreversiblemente a ningún alelo mutante potencialmente perjudicial de genes cercanos. Esto mantiene el tamaño objetivo efectivo para la mutación cerca del de un gen, no del cromosoma completo.


Recombinación y mutación genética - Biología

La reproducción sexual permite que la información genética de dos padres se recombine para formar un nuevo individuo.
Una gran ventaja, desde el punto de vista de la biología de la población, es que la reproducción sexual produce una gran cantidad de variación genética mediante la mezcla de mutaciones tanto beneficiosas como perjudiciales.
La reproducción sexual requiere diploidía (el estado de tener dos juegos de cromosomas) con un juego de cromosomas de cada padre que permite una mayor flexibilidad genética que la haploidía.
Las células diploides pueden ser homocigotas o heterocigotas para cualquier gen dado.
Sin embargo, los gametos (espermatozoides y óvulos) son células haploides especializadas producidas por la meiosis.
Los ciclos de vida de los organismos sexuales tienen fases tanto diploides como haploides.
Algunos hongos pasan gran parte de su vida como haploides (1n) y solo se vuelven diploides (2n) para producir gametos.
El gameto haploide debe someterse a una forma especializada de división celular conocida como meiosis, un proceso que divide una célula diploide en cuatro células haploides.

Mitosis

Los espermatozoides y los óvulos se producen mediante dos procesos principales: 1) meiosis y 2) diferenciación celular especializada.
La gametogénesis difiere mucho entre la espermatogénesis y la ovogénesis.
La espermatogénesis convierte el espermatocito en cuatro espermátidas.
Durante la ovogénesis, la división celular asimétrica produce una célula grande y tres pequeñas que degeneran en tres cuerpos polares.

La meiosis produce diversidad genética mediante la recombinación del complemento genético de la célula diploide para generar un gameto haploide.
Esta diversidad depende de la segregación y variedad de combinaciones de alelos.
Es importante destacar que los organismos diploides pueden portar alelos recesivos de genes que pueden estar completamente enmascarados por el otro alelo (generalmente de tipo salvaje).
A mediados de la década de 1800, Gregor Mendel formuló sus "Leyes de herencia" a partir de sus famosos experimentos con guisantes.
La "Ley de Segregación" de Mendel asegura que los alelos de cada gen se separen durante la formación de gametos.
La "Ley del surtido independiente" de Mendel (más controvertida) sugiere que los alelos de cada gen se separan independientemente de los otros genes.

El comportamiento cromosómico proporciona un fuerte apoyo a las leyes de segregación y surtido independiente.
Después de todo, las secuencias de ADN conocidas de cromosomas homólogos son esencialmente las mismas.
La teoría cromosómica de la herencia (Sutton, principios de 1900) se basó en cinco puntos:
1) Los núcleos contienen dos juegos de cromosomas homólogos (1 materno y 1 paterno).
2) Los cromosomas conservan su identidad y son genéticamente continuos a lo largo del ciclo de vida.
3) Los dos conjuntos de cromosomas homólogos son funcionalmente equivalentes.
4) Los cromosomas homólogos maternos y paternos hacen sinapsis durante la meiosis y luego se mueven a los polos opuestos.
5) Los cromosomas homólogos maternos y paternos se segregan de forma independiente.

Recombinación genética

Cinco ejemplos de intercambio genético entre moléculas de ADN homólogas implican recombinación homóloga
1) profase I de la meiosis (gametogénesis)
2) coinfección de bacterias con bacteriófagos relacionados
3) transformación de bacterias (ADN)
4) transducción de bacterias (fagos transductores)
5) conjugación bacteriana

La recombinación homóloga depende de la rotura e intercambio controlados de ADN que se han demostrado mediante experimentos.
1) La coinfección de bacterias con bacteriófagos marcados mostró intercambio de ADN (etiqueta).
2) El etiquetado de los cromosomas eucariotas reveló que los cromosomas posmeióticos se componen de mezclas de los cromosomas parentales y se correlaciona bien con las tasas de recombinación genética de genes conocidos en el cromosoma.

El modelo de Holliday de recombinación homóloganorte
El modelo actual del mecanismo de intercambio de ADN entre dos cromosomas homólogos explica la conversión de genes y la recombinación genética.
1) Una molécula de ADN bicatenario sufre una ruptura monocatenaria.
2) The single-stranded DNA invades the complementary region of the double-stranded homologue.
3) DNA repair (DNA synthesis) of the dsDNA using the invading ssDNA as template begins.
4) Reciprocal invasion results in the formation of the "double crossover" or Holliday Junction.
5) Branch migration (movement of the crossover structure) is the result of DNA unwinding and rewinding.
6) Resolution of the Holliday Junction will result in either a cross over event or gene conversion (without a cross over) event.

The synaptonemal complex develops only when single-stranded DNA successfully carries out the process of "homology searching" to facilitate the exchange process.

Recombinant DNA Technology (review)

Recombinant DNA molecules are produced by .
1) cleaving DNA from two different sources with restriction endonucleases (restriction enzymes),
2) mixing the fragments together to allow the ends of the fragments to interact and
3) linking the fragments with DNA ligase.

The cloning of specific DNA fragments usually involve:
1) Insertion of DNA into a vector (a recombinant vector)
2) Introduction of recombinant vector into cells (usually E. coli)
3) Amplification of recombinant vector in the cells
4) Selection of cells that carry the recombinant vector.
5) Identification of correct recombinant clone.

Often a "shotgun" approach is used to produce clones.
This means that instead of starting with a known specific fragment of DNA, "all" the DNA from a source (as relatively random pieces is cloned into a vector) to result in a library of clones.
If the source of the DNA is the genome of an organism, then the library is refered to as a genomic library.

To examine the expressed genes of an organism, the mRNA can be "converted" into a complementary DNA (cDNA) library through the use of the enzyme reverse transcriptase.
cDNA is made by annealing poly-T primers to the poly-A tails of isolated mRNA and synthesizing ssDNA from the mRNA template with reverse transciptase.
The RNA is hydrolysed and a DNA polyermerase generates the second strand to make dsDNA.
The cDNA is then inserted into a vector and propagated as above.
As the techniques improve, larger segments of DNA can be cloned as a continuous piece in specialized vectors such as cosmids and Yeast Artificial Chromosomes (YACs).

Ventajas:
1) Recombinant technology allows us to produce large amounts of medically important proteins including insulin (diabetes), blood clotting factors (hemophilia), growth hormone (dwarfism), tissue plasminogen activator (treating blood clots), plus much more.
2) Genetic engineering of plant crops depends upon the Ti plasmid to integrate a DNA fragment of interest into the plant cell's chromosomal DNA.
With propagation the recombinant T DNA becomes stably incorporated into the genome of every cell of the plant.
3) To model human diseases, mice that have specific genes inactivated (knock-out mice) are produced through recombination in embryonic stem cells followed by generation of chimeric transgenic mice.
4) Gene therapy, when a patient whose disease is caused by defective copies of a gene is treated with a functional copy of that gene.
One mechanism employed to carry out gene therapy is to first remove certain cells from a patient, introduce the gene in vitro then return the cells to the patient.
The application of genetic recombination science may provide the basis for many significant advances in science.


Recombinación

This involves shuffling the genes and is the reason that children resemble their parents very closely but are not exactly like either one. The discovery of the principles of recombination was Gregor Mendel's great contribution to the science of genetics. Mendel showed that while traits might be hidden for a generation they were not usually lost, and when new traits appeared it was because their genetic factors had been there all along. Recombination makes it possible for there to be limited variation within the created kinds. But it is limited because virtually all of the variations are produced by a reshuffling of the genes that are already there.

For example, from 1800, plant breeders sought to increase the sugar content of the sugar beet. And they were very successful. Over some 75 years of selective breeding it was possible to increase the sugar content from 6% to 17%. But there the improvement stopped, and further selection did not increase the sugar content. ¿Por qué? Because all of the genes for sugar production had been gathered into a single variety and no further increase was possible.

Among the creatures Darwin observed on the Galapagos islands were a group of land birds, the finches. In this single group, we can see wide variation in appearance and in life-style. Darwin provided what I believe to be an essentially correct interpretation of how the finches came to be the way they are. A few individuals were probably blown to the islands from the South American mainland, and today's finches are descendants of those pioneers. However, while Darwin saw the finches as an example of evolution, we can now recognize them merely as the result of recombination within a single created kind. The pioneer finches brought with them enough genetic variability to be sorted out into the varieties we see today.2


Recombinations: Transformation, Transduction and Conjugation.

Recombinación is the transfer of genetic material from donor to the recipient cell or from one to another replicon. Recombinations provide the regular exchange of genetic information between bacterial cells.

Recombinant bacteria acquire the genetic properties of both parental cells: the basic number of the recipient’s genes and a small amount of genes from donor.

The Molecular Mechanisms of Recombination

Donor DNA interacts with the recipient DNA to become integrated into genome of the recipient cell. This requires genes and proteins with specific functions that govern recombination.

RесА, recВ, reсС, recD genes encode the synthesis of specific enzymes (recombinases RecA, RecBCD) that promote recombination processes.

RecА is the multifunctional protein that is activated after DNA binding. It acts as DNA-helicase (unwinds DNA double helix) and destroys several repressors, which block recombination. It catalyzes DNA cross-structure rearrangement.

RecA mutations lower recombination incidence for more than 1000 times.

RecBCD nuclease, encoded by recВ, reсС, recD genes, splits one DNA strand, allowing RecA binding. Also it accomplishes recombination by final cut of heteroduplex DNA cross-structure.

Recombination is based on the exchange of two complementary fragments between parental DNA molecules of donor and recipient cells. It includes incorporation or a donor DNA sequence into recipient one with the parallel transfer of the homologous recipient sequence backward into the donor DNA molecule. The fragment of DNA containing the complementary strands both from donor and recipient is termed as DNA heteroduplex.

At first, both of parental duplex DNA chains become unwound. Then they interact by their complementary DNA fragments, forming transition cross-like structure (so-called Holliday junction). The hydrogen bonds, maintaining DNA conformation, break in both parental molecules but lock again between primary and newly coming complementary DNA. los heteroduplex DNA fragment is formed, which carries the genetic sequences from donor and recipient DNA molecules.

Recombinases maintain the proper orientation and then split the complex of cross-reacting donor-recipient DNA strands.

Finally, DNA lygase links the free ends of phosphate backbone of recombinant DNAs thus restoring strands integrity.

Genetic recombinations in bacteria occur as the result of transformación, transducción, y conjugación.

Transformación is the direct uptake of donor’s DNA by the recipient cell.

F. Griffith discovered the process of transformation in 1928. He studied the experimental infection of mice triggered by the injection of the bacterial mixture, composed of a live decapsulated non-pathogenic type II Streptococcus pneumoniae and pathogenic capsulated type III S. pneumoniae, previously inactivated by heat. As the result, infected mice died due to septicemia caused by the virulent infection. F. Griffith found that type II S. pneumoniae acquired virulent properties being able to produce the capsule essential for S. pneumoniae type III. F. Griffith supposed that bacterial capsular polysaccharides were responsible for transformation.

In 1944 O. Avery, С. McLeod, and M. McCarthy revised the experiment of F. Griffith. They isolated transformational substance of high viscosity, resistant to proteases but sensitive to DNAse. It induced the transition of any type of pneumococci to type III S. pneumoniae. The substance was confirmed to be desoxyribonucleic acid. The scientists were the first who proved DNA transforming activity and demonstrated the role of DNA as a possible substance of heredity.

In nature the bacteria become able to capture the relatively large molecules of DNA only under special living conditions. These bacterial cells were designated as competent. Natural occurrence of this state is seldom among the bacteria. Some of them can undergo transformation only under the influence of competence factors, produced at a certain point of bacterial growth. This is followed by the marked changes of bacterial phenotype including the increased permeability of bacterial cell wall for nucleic acids and the expression of protein receptors on the membrane for DNA uptake.

The production of competence factors is not common among the bacteria therefore, many bacterial species are poorly transformed.

Essentially competent bacteria can be found in different bacterial genera or species. Among them are Streptococcus pneumoniae, Neisseria gonorrhoeae, Hemophilus influenzae, Bacillus subtilis and others.

Many bacteria can be stimulated for transformation by external stimuli (temperature stress or calcium chloride exposure).

Electroporation is an artificial method to induce transformation of bacteria. Free DNA is added to bacterial cells and the electric current is applied. The electric current increases the permeability of the bacterial envelope (cytoplasmic membrane and cell wall) thus facilitating DNA uptake. Once appeared in the cytoplasm, DNA becomes incorporated into the recipient chromosome as the result of the homologous recombination.

Transducción is bacteriophage-stimulated genetic recombination in bacteria.

Transducción phenomenon was first described by N. Cinder and J. Lederberg in 1952. Bacteriophages as the specific viruses of bacteria were demonstrated to deliver genes from donor to the recipient bacterial cells. Phage genome may harbor genes encoding the resistance to antimicrobial agents, virulence factor synthesis (e.g., exotoxin and adhesin expression), flagella and pili formation, production of enzymes, etc.

The donor bacteria, the temperate phage, and recipient bacteria are the participants of the transduction process.

Three types of transduction have been revealed: general transduction, específico transduction and abortive.

As the result of general transduction the transfer of any bacterial gene may happen. The frequency of this rare genetic event is about of 10-4-10-7 per single phage particle. The incidence of general transduction can be arisen by pre-treatment of the phage with UV-light or other activators.

Específico transduction is performed by the temperate phage particles. They are generated after the excision of DNA sequence of the temperate phage from the nucleoid of bacterial lysogenic cells. It should be noted that lyzogenic bacteria have the genome with integrated DNA of temperate bacteriophage. When liberated from the nucleoid, phage DNA is further incorporated into capsids of nascent phage particles.

In case of specific transduction only definite gene clusters can be transduced (e.g., galactosidase locus, controlling the utilization of lactose in E. coli). After occasional non-proper excision, temperate bacteriophages can capture the bacterial genes flanking phage nucleic acid sequence. In that case the phage becomes defective but enables to transfer different host bacterial genes to other susceptible bacteria.

Abortivo transduction occurs, when the genetic material delivered by the phage is not included into the genome of the recipient. It retains in the cytoplasm of the recipient cell. After the next cell division DNA of the phage remains non-replicated and stays only in one of the progeny cell, the second cell is free of phage DNA. Thus the phage genes become lost for the next bacterial generations. Abortive transduction is considered to be about 10 times more frequent event, than transduction types with integration of phage nucleic acid.

Transduction occurs between the bacteria of the same or different microbial species. Interspecies transduction has the evident biological value. Here bacteriophages enhance the diversity of living systems, thereby accelerating microbial evolution.

Conjugación is a one-sided transport of genetic material from one microbial cell to another by direct cell-to-cell contact.

Plasmid of a certain type (or, more correctly, episome) termed as F factor, o fertility factor, ensures the conjugation.

F factor replicates independently of nucleoid within bacterial cytoplasm.

Harboring F factor bacteria are the genetic donors, designated as F+ cells, whereas F сells are the recipients. They don’t contain F factor.

F plasmid of donor cell contains the genetic information for the synthesis of sex pili – special extracellular protrusions that promote binding of donor cell to the recipient bacteria. F plasmid also carries some additional genetic elements that is required for the successful transfer of DNA.

The transfer of F factor into the recipient cell takes place only in case of direct contact of the bacteria. F factor can exist in two forms: autónomo in bacterial cytoplasm and integrado into the bacterial nucleoid. Therefore, besides F+ donor cells, containing free F factor in cytoplasm, bacterial donors with integrated F factor sequence are found. They were designated as Hfr (high frequency of recombination) células. These cells are characterized by essential high frequency of recombination (10-1-10-4), whereas the frequency of recombination between the F and F+ strains is in the range between 10-4 and 10-6.

Thus, there are major two variants of the conjugation.

In the first case autonomous F factor initiates the formation of the conjugation tube and reduplicates itself by the rolling circle mechanism. One linear strand of newly synthesized donor’s DNA is transferred into the conjugation tube. The recipient cell completes the structure of F factor’s DNA by synthesis of the novel DNA strand on the transferred donor’s DNA template. The remaining strand of F factor within the donor cell retains its circular form after duplication. As F factor copy has been delivered, the recipient cell becomes converted into the donor F+ cell.

Another variant of conjugation proceeds within Hfr cells. DNA sequence of Hfr cell is incised nearby the integrated F factor. But after the formation of conjugation tube the transfer of single-stranded linear DNA begins from the side of bacterial DNA localization. Thus F factor can be transported into recipient cell only after complete transference of nucleoid DNA. The latter is almost unlikely, so the recipient cell cannot obtain the properties of genetic donor.

Nevertheless, the nucleoid DNA fragment of the Hfr cell can be included in the genome of the recipient cell (F-) by recombination. As the result, an incomplete zygote (or merozygote) is formed that is composed of the whole genome of the recipient and some part of donor’s genome.

After conjugation both cells remain viable.

Similar to other recombinations, conjugation may occur not only between the cells of the same species, but among the cells from various species, thus leading to the production of interspecies recombinants.


Random or Controlled Variability

Genetic recombination is not random. Offspring survival following genetic recombination is just short of 100% among all sexually reproducing organism substantiating these reaction as highly controlled and specific. We can also not predict the ability of these reactions to modify an organism. We have been taught that the sources of population variability are random. The crossing-over reactions are claimed to be randomized exchanges although it is a given juggling genomic DNA would produce extremely high infant mortality rates. Truly, the genetic changes induced during meiosis are a highly controlled and pin-point specific reactions which occur by design to produce populations with variability.

Since we know all the various breeds animals were created through genetic recombination, why are we taught every variation of animal in nature is a result of mutations?

Mutations are a theoretic necessity for atheistic evolution which is attempting to substantiate the origin of life through the mechanisms that are allowing organisms to adapt. For the theory to explain the existence of life, the source of variability driving this process must not be reliant upon a living system. To the atheist, the driving force behind evolution must be a random source. Although the molecular machinery is still largely beyond our comprehension the scientific community can not recognize the design inference its complexity suggests, and will not acknowledge the obvious that evolution is solely reliant upon the genetic manipulation created by the cell.

Since homologous recombination is performed by the cell, it therefore occurs by design, and we do not understand these reactions well enough to recognize the capability of these genetic modifications. The real power behind genetic recombination has not yet been recognized. Given our knowledge, it may be assumable that these reactions are the exclusive source of new alleles or genetic information, but we should not yet attempt to theoretically limit their ability to manipulate the genome.


Ver el vídeo: Recombinacion genética en procariontes (Octubre 2022).