Como ocorre a recombinação genética

A recombinação descreve a redistribuição do material genético nas células. Neste artigo você aprenderá quais tipos você pode distinguir e como eles funcionam. Gostaria de entender o assunto ainda mais rápido? Então assista o vídeo agora mesmo!Índice

Recombinação simplesmente explicada

Na biologia, você pode imaginar a recombinação como a redistribuição da informação genética nas células. Os processos de redistribuição ocorrem principalmente durante a meiose. A troca de alelos cria novas combinações de genes que são importantes para a variabilidade genética (diversidade).

Assim como uma mutação , a nova combinação de genes é um fator de evolução importante para a rápida adaptação ao meio ambiente. No entanto, em contraste com as mutações, não há alteração no pool genético existente. Há apenas uma redistribuição do material genético. definição de recombinação

Em genética, o termo recombinação refere-se ao rearranjo da informação genética através da troca de alelos. É o pré-requisito para a variabilidade genética. Você pode dividi-los em recombinação intercromossômica e intracromossômica.  

Em biologia, recombinação significa a distribuição e rearranjo do material genético ( DNA , RNA ) nas células e, em sentido mais restrito, a troca de alelos . A recombinação resulta em novas combinações de genes e características . A recombinação e a mutação causam variabilidade genética dentro de uma população . A variabilidade genética é, por sua vez, a base para a adaptação às mudanças nas condições ambientais no processo evolutivo.. Em algoritmos genéticos, a recombinação é imitada como um operador genético para resolver problemas de otimização (ver Recombinação (algoritmo genético)).

A recombinação é a redistribuição do material genético durante a meiose . A recombinação torna praticamente impossível a produção de dois descendentes idênticos e, portanto, é crucial para a alta variabilidade genética. Em contraste com a mutação
do fator de evolução , que cria novas variações, a recombinação apenas garante uma distribuição diferente do material genético existente(!). Isso significa que não há alteração no pool genético.
Recombinação na engenharia genética: Com a ajuda de “ferramentas” na engenharia genética de hoje, um DNA recombinante pode ser criado artificialmente durante a clonagem e depois adicionado aos organismos novamente usando vetores (plasmídeos ou vírus). O método convencional baseia-se na ideia de usar enzimas de restrição para cortar o DNA em sequências específicas e reconhecíveis e, em seguida, usar ligases (enzimas para ligar duas moléculas) para reconectá-las

Recombinação através de processos sexuais

A recombinação sexual em eucariotas , e. B. em plantas e animais, todo o genoma e, portanto, é a forma mais profunda de recombinação. Dois tipos de recombinação podem ser distinguidos:

• Recombinação intercromossômica , reorganizando cromossomos inteiros.
• Recombinação intracromossômica , através da recombinação de alelos dentro dos cromossomos por crossing-over na 1ª divisão meiótica.

Duas fases podem ser distinguidas na recombinação intercromossômica:

1. A distribuição de cromossomos na formação de células germinativas na meiose .
2. A fusão das células germinativas (geralmente) haploides para formar o zigoto diploide .

O número de possibilidades de recombinação intercromossômica depende do número de cromossomos. Humanos com seus 23 pares de cromossomos podem B. Formam-se 2 ²³ (8,39 milhões) células germinativas diferentes. Como duas células sexuais se fundem durante a fertilização, existem (2 ²³ · (2 ²³ +1))/2 ≈ 3,5 · 10 ¹³ (35 trilhões) combinações possíveis para a prole de um casal humano de acordo com a combinatória de Gregor Mendel . É quase impossível para um casal humano conceber dois descendentes geneticamente idênticos, exceto no caso de múltiplos monozigóticos, apenas por meio de recombinação intercromossômica.

Recombinação através de processos parassexuais

A parasexualidade ocorre em bactérias e alguns fungos . Nesse processo, partes do genoma são transferidas ou células que surgiram não sexualmente (células vegetativas) se fundem. A transferência de partes do genoma pode ocorrer através dos seguintes processos:

• conjugação , uma transferência direta de material genético entre duas células conectadas.
• transdução , uma transferência usando vírus.
• Transformação , através da captação e integração de DNA extracelular no genoma de uma célula.

Recombinação somática

Em eucariotos, a recombinação não se limita à meiose e às células germinativas . O rearranjo do DNA também pode ocorrer em células somáticas. Isso afeta a expressão gênica. Exemplos incluem transposons (“genes saltadores”) e a recombinação somática de imunoglobulinas, veja recombinação V(D)J .

Recombinação homóloga e não homóloga

Tipo selvagem de Physcomitrella patens e musgos knockout produzidos a partir dele. Fenótipos desviantes em mutantes knockout. Plantas do tipo selvagem e transformadas foram cultivadas em meio mínimo (meio Knop) para induzir diferenciação e gametóforos . Uma visão geral (linha superior, barra de tamanho: 1 mm) e um close-up (linha de baixo, barra de tamanho: 0,5 mm) são mostrados para cada planta. A: Planta de musgo haplóide do tipo selvagem completamente coberta de gametóforos e um close-up de um folheto. BD: vários mutantes. 

recombinação homóloga

A recombinação homóloga (HR) ocorre em todos os organismos. O pré-requisito são seções de DNA de fita dupla homólogas. Homólogo significa que há grandes semelhanças na sequência de nucleotídeos. No caso de quebras de fita dupla, a recombinação homóloga pode reparar o dano usando as informações da cromátide não danificada como modelo. Então HR é uma ferramenta da célula para reparar mutações genéticas . A recombinação homóloga geralmente ocorre de acordo com o seguinte esquema:

1. Abordagem paralela (“emparelhamento”) de duas moléculas de DNA de fita dupla de modo que as regiões de sequências nucleotídicas semelhantes (homólogas) estejam no mesmo nível.
2. Um cruzamento pode agora ocorrer em um processo complexo . No processo, as seções de DNA são trocadas entre as duas moléculas de DNA “emparelhadas”.
3. O sítio no qual os segmentos de DNA trocados são reconectados pode estar em qualquer lugar dentro das sequências de nucleotídeos homólogas.
4. As moléculas de DNA são quebradas e reconectadas por enzimas específicas, as chamadas recombinases, com tanta precisão que nenhum nucleotídeo é perdido ou adicionado.

No curso de RH, ocorre a chamada estrutura de férias .

A razão de recombinação homóloga (HR) para recombinação não homóloga pode variar em várias ordens de magnitude em diferentes espécies. Há uma taxa de HR tão alta dentro das plantas , especialmente no musgo da folha Physcomitrella patens , que os genes podem ser desligados de maneira direcionada para analisar sua função. Essa técnica é chamada de direcionamento gênico , a abordagem metódica é chamada de “genética reversa”.

Recombinação específica de sequência

Uma integração direcionada (ou seja, não acidental) de DNA em um genoma também pode ser realizada por recombinação sequencial. Esta recombinação não homóloga é realizada por uma enzima , como z. B. é codificado pelo bacteriófago λ , a chamada integrase . A integrase reúne duas sequências não homólogas de duas moléculas de DNA, catalisa sua clivagem e as une. Por exemplo, um genoma de vírus pode ser construído em um cromossomo em um local designado.

recombinação em engenharia genética

Hoje, existem ferramentas disponíveis na engenharia genética que podem ser usadas para produzir artificialmente DNA recombinante e introduzi-lo em organismos. Para este propósito, o DNA é geralmente cortado com enzimas de restrição em sequências específicas de reconhecimento e religado com ligases . Muitas vezes, plasmídeos ou vírus servem como vetores para transferir o DNA recombinante para o organismo alvo.

Uma nova alternativa à clonagem convencional de DNA usando enzimas de restrição e ligases é uma tecnologia baseada na recombinação homóloga, chamada recombinação .

recombinação sexual

A recombinação sexual ocorre apenas em eucariotos, durante a reprodução sexual. Durante a meiose, há uma mudança de fase nuclear . Esta é a alternância entre o conjunto de cromossomos diplóide e haploide. 

Você pode imaginar que a diversidade genética alcançada dessa forma traz uma grande vantagem na evolução. Em contraste com a reprodução assexuada, pode ocorrer uma adaptação significativamente mais rápida aos fatores ambientais em mudança. Novas combinações vantajosas surgem em maior medida e as desvantajosas desaparecem mais rapidamente. Você pode distinguir entre dois tipos diferentes de redistribuição de material genético:

• interchromosomale Rekombination
• recombinação intracromossômica 

Interchromosomale Rekombination

Você fala de recombinação intercromossômica quando ocorre uma redistribuição entre os cromossomos completos no conjunto de cromossomos. Você pode  encontrar duas situações durante a reprodução em que isso acontece. 

Durante a meiose , os cromossomos homólogos são divididos entre as células filhas. Um conjunto duplo ( diplóide ) de cromossomos resulta em um único conjunto (haplóide) de cromossomos. A redistribuição ocorre na primeira anáfase . O aparato do fuso puxa os cromossomos homólogos do plano equatorial para os pólos em uma distribuição aleatória.

A segunda possibilidade para uma nova combinação de genes é a fusão das duas células germinativas para formar um zigoto durante a fertilização. O número de combinações possíveis é muito grande. Assumindo uma célula germinativa humana, temos 23 cromossomos. Então isso faz 2 ²³   (= 8.388.608) combinações possíveis. Como você pode ver, a probabilidade de ter dois descendentes geneticamente idênticos é mínima. 

Recombinação intracromossômica

Você fala de recombinação intracromossômica quando há uma nova distribuição de informação genética dentro dos cromossomos. Para que isso aconteça, os pares de cromossomos homólogos devem se unir na prófase da meiose. Se as cromátides se cruzam, pode ocorrer crossing over   , em que seções de cromossomos são trocadas. As cromátides primeiro se separam e depois se reconectam. Isso funciona de maneira semelhante à reparação de quebras de fita de DNA. O resultado é um rearranjo de diferentes alelos . Alelos são variantes diferentes de um gene que resultam em características diferentes. A maneira mais fácil de imaginar isso é com o exemplo da cor do cabelo: um alelo garante cabelos castanhos e um alelo para cabelos loiros.

recombinação parassexual

A transmissão e troca de material genético também ocorre em organismos que não se reproduzem sexualmente. Isso é chamado de recombinação parassexual. Esses organismos incluem bactérias e fungos. A parasexualidade descreve a reprodução sem a fusão de células sexuais, ou seja, sem meiose. Como a nova distribuição do material genético ocorre durante a meiose em eucariotos, deve haver outros mecanismos aqui. Existem três tipos de transferência de genes em procariontes: 

• Conjugação : A troca de material genético entre duas células através de sua conexão direta. 
• Transformação : A transferência de DNA livre para uma célula (sem a ajuda de vírus). 
• Transdução : transferência de DNA usando vírus como transportadores. 

Recombinação homóloga e não homóloga

Com a recombinação, você também pode distinguir entre homólogos e não homólogos. Quando os cromossomos homólogos se combinam durante a meiose, as seções de DNA podem ser trocadas. Você chama esse processo  de recombinação homóloga. Como o nome sugere, o requisito mais importante é que tenhamos sequências homólogas de DNA de fita dupla. Essas seções são muito semelhantes em sua sequência de base. 

Mais comumente, no entanto, você distingue entre os dois tipos de nova combinação no campo do reparo do DNA . Sem este mecanismo, uma célula não é viável. Ocorrem quebras de fita dupla do DNA, estes devem ser reparados rapidamente. Para fazer isso, as fitas de DNA devem ser ligadas novamente. Uma célula pode fazer isso de duas maneiras: ou repara a quebra usando um pedaço idêntico (homólogo) de DNA, ou as extremidades quebradas são aparadas e rejuntadas diretamente. No entanto, isso geralmente leva a deleções, o que significa que partes da sequência são perdidas. Fios idênticos convergem para reparo homólogo. Desta forma, o fio danificado pode ser reparado e reconectado usando o molde do outro. Este tipo de reparo é, portanto, geralmente livre de erros. 

engenharia genética de recombinação

As ferramentas de engenharia genética são agora tão avançadas que é possível produzir artificialmente DNA recombinante. A chamada clonagem consiste em incorporar fragmentos de DNA em vetores (“transportes de genes”, por exemplo, plasmídeos)  e introduzi-los nas células com sua ajuda. Enzimas de restrição são usadas  para cortar o DNA e ligases para se juntar ao DNA.