نوترکیبی چیست؟ — تعریف، انواع و کاربردها — به زبان ساده

نوترکیبی DNA چگونه کار می‌کند؟ این اتفاق به طور مکرر در انواع مختلف سلول رخ می‌دهد و پیامدهای مهمی در یکپارچگی ژنومی، تکامل و بیماری‌های انسانی دارد. نوترکیبی در ژنتیک، مکانیزم اولیه‌ای است که از طریق آن تنوع به جمعیت‌ها وارد می‌شود. توالی DNA یک کروموزوم می‌تواند در بخش‌های بزرگ نیز با فرایندهای نوترکیبی و جابجایی تغییر کند. نوترکیبی تولید مولکول‌های DNA جدید از دو مولکول DNA والدین یا بخش‌های مختلف مولکول DNA یکسان است. این موضوعات در این مقاله بررسی خواهد شد.

نوترکیبی چیست؟

نوترکیبی فرآیند شکسته شدن و ترمیم رشته‌های DNA، تولید ترکیبات جدید آلل‌ها (حالات مختلف ژنی) بوده که تقریباً در همه ارگانیسم‌های چند سلولی و برخی از تک سلولی‌ها رخ می‌دهد و پیامدهای مهمی برای بسیاری از فرایندهای تکاملی دارد. اثرات نوترکیبی می‌توانند خوب باشند زیرا ممکن است سازگاری موجود را تسهیل کنند، اما هنگامی که ترکیبی از قرارگیری مفید آلل‌ها را برهم زند مضر است، نوترکیبی بین آرایه‌ها (Taxa)، گونه‌ها، افراد یک گونه و در سراسر ژنوم بسیار متغیر است. نوترکیبی زمانی اتفاق می‌افتد که دو مولکول DNA تکه‌هایی از مواد ژنتیکی خود را با یکدیگر مبادله کنند.

فیلم آموزش زیست شناسی – پایه دوازدهم رشته تجربی – بخش یکم در فرادرس

کلیک کنید

نوترکیبی DNA چیست؟

مولکول‌های DNA از دو گونه مختلف که در ارگانیسم میزبان قرار می‌گیرند و ترکیبات ژنتیکی جدیدی تولید می‌کنند برای علم پزشکی، کشاورزی و صنعت دارای ارزش هستند. نوترکیبی DNA فرآیندی است که در آن پروتئین‌های تخصصی با DNA ارتباط برقرار می‌کنند و مولکول‌هایی با محتوای توالی نوکلئوتیدی تغییر یافته ایجاد می‌کنند.

فیلم آموزش ژنتیک مولکولی – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

بسته به جزئیات واکنش، نتایج نوترکیبی حذف، کپی یا یک ترتیب جدید از تغییرات آللی است. همچنین نوترکیبی DNA یکی از ابزارهای اساسی است که در مهندسی ژنتیک استفاده می‌شود. نوترکیبی را می‌توان به عناوین سایت خاص یا همولوگ طبقه بندی کرد. نوترکیب‌های اختصاصی سایت، توالی‌های سیگنال خاصی را در مولکول‌های DNA هدف تشخیص می‌دهند. در مقابل، برای شروع واکنش نوترکیبی همولوگ، نیاز به همسانی توالی بین یا درون مولکولی دارد. DNA نوتركيب برای تغيير شكل ژنوم در تمام شكل‌های زندگی بكار می‌رود.

در حالی که نوترکیبی جایگاه اختصاصی در درجه اول توسط ویروس‌ها و ترانسپوزون‌ها برای ورود و خروج به ژنوم میزبان خود استفاده می‌شود، نوترکیبی همولوگ تبادلات میوز بین کروموزوم‌ها و تفکیک جهش‌های مفید و مضر را امکان پذیر می‌کند. تنوع ژنتیکی در جاهایی که برخی از خصوصیات فیزیکی مانند رنگ چشم انسان متغیر است رخ می‌دهد. این تنوع نتیجه توالی‌های DNA متناوب است که همان ویژگی فیزیکی را کد می‌کنند. این توالی‌ها معمولاً آلل نامیده می‌شوند. آلل‌های مختلف مرتبط با یک ویژگی خاص فقط کمی با یکدیگر متفاوت هستند و آن‌ها همیشه در همان مکان (یا منبع) درون DNA ارگانیسم یافت می‌شوند. به عنوان مثال، فارغ از اینکه شخصی چشم آبی، قهوه‌ای یا چشم سبز داشته باشد، آلل‌های رنگ چشم در همان ناحیه از همان کروموزوم در همه انسان‌ها یافت می‌شوند. ترکیب منحصر به فرد آلل‌ها که همه ارگانیسم‌های دارای تولید مثل جنسی از والدین خود دریافت می‌کنند، نتیجه مستقیم نوترکیبی کروموزوم‌ها در هنگام تقسیم میوز است.

در نوترکیبی چه اتفاقی می افتد؟

نوترکیبی ژنتیکی یک فرآیند پیچیده است که شامل تراز شدن دو رشته DNA همولوگ، شکستگی دقیق هر رشته، تبادل مساوی بخش‌های DNA بین دو رشته و قرارگیری مولکول‌های DNA نوترکیب حاصل از طریق عملکرد آنزیم‌هایی به نام لیگازها است. علی رغم پیچیدگی این فرآیند، در اکثر موارد، وقایع نوترکیبی با دقت و صحت قابل توجهی رخ می‌دهد. وقتی نوترکیبی در حین تقسیم میوز رخ می‌دهد، کروموزوم‌های همولوگ سلول بسیار نزدیک به هم قرار می‌گیرند. سپس، رشته DNA درون هر کروموزوم دقیقاً در همان مکان می‌شکند و دو انتهای آزاد بر جای می‌گذارد.

سپس هر انتهای آن به داخل کروموزوم دیگر عبور کرده و پیوندی به نام کیاسما ایجاد می‌کند. در طی این فرایند، عبور مقاطع زیادی از DNA که حاوی ژن‌های مختلفی هستند از یک کروموزوم به کروموزوم دیگر معمول است. سرانجام، با نزدیک شدن پروفاز به متافاز و شروع آن، فرآیند عبور از هم به پایان می‌رسد و کروموزوم‌های همولوگ آماده جدایی می‌شوند. وقتی بعداً در طی آنافاز I کروموزوم‌های همولوگ از هم جدا شوند، هر کروموزوم دارای ترکیبات آللی جدید و منحصر به فردی است که نتیجه مستقیم فرایند نوترکیبی است.

نوترکیبی در چه سلول هایی رخ می‌دهد؟

فراتر از نقش آن در میوز، نوترکیبی برای سلول‌های سوماتیک در یوکاریوت‌ها مهم است زیرا می‌توان از آن برای کمک به ترمیم DNA شکسته استفاده کرد، حتی اگر شکسته شدن، هر دو رشته مارپیچ دوگانه را درگیر کند. این شکست‌ها به عنوان شکست‌های دو رشته‌ای یا DSB شناخته می‌شوند. هنگامی که DSB ها اتفاق می‌افتند، یک کروموزوم همولوگ می‌تواند به عنوان الگویی برای سنتز هر بخشی از ماده ژنتیکی که در نتیجه شکستن از بین رفته است، استفاده شود. پس از سنتز، این DNA جدید می‌تواند در رشته DNA شکسته قرار گیرد و در نتیجه آن را ترمیم کند. در واقع، این نوعی نوترکیبی است، زیرا ناحیه شکسته شده با مواد جدید از یک کروموزوم همولوگ جایگزین می‌شود. از نوترکیبی می‌توان به روشی مشابه برای ترمیم شکست‌های كوچک‌تر وتک رشته‌ای استفاده كرد.

به طور کلی، هر زمان که کروموزوم‌های همولوگ جفت شوند، نوترکیبی ممکن است اتفاق بیفتد، چه در طول میوز به راحتی پشت سر هم شناور باشند و چه در صفحه متافاز صف کشیده شوند. با این حال، نوترکیبی فقط به یوکاریوت‌ها محدود نمی‌شود. نوع خاصی از نوترکیبی به نام هم یوغی یا ترانسداکسیون در بسیاری از پروکاریوت‌ها وجود دارد و به ویژه در باکتری E. coli به خوبی مورد مطالعه و توصیف قرار گرفته است. در طی هم یوغی، مواد ژنتیکی حاصل از یک باکتری به باکتری دیگر منتقل می‌شوند و سپس در سلول گیرنده ترکیب می‌شوند. نوترکیبی همچنین در ترمیم DNA در ارگانیسم‌های پروکاریوتی نقش مهمی دارد، همانطور که در موجودات یوکاریوتی انجام می‌شود.

نوترکیبی در طبیعت

مهم‌ترین ویژگی موجودات زنده سازگاری در محیط و حفظ توالی DNA آن‌ها در سلول‌ها به نسل‌های بعدی همراه با تغییرات بسیار اندک است. در طولانی مدت زنده ماندن موجودات به تغییرات ژنتیکی بستگی دارد، یک ویژگی اصلی نوترکیبی این است که از طریق آن ارگانیسم می‌تواند با محیطی سازگار شود و با گذشت زمان تغییر کند. این تنوع در بین ارگانیسم‌ها از طریق توانایی DNA برای انجام بازآرایی ژنتیکی و در نتیجه تغییر کمی در ترکیب ژن رخ می‌دهد. تنظیم مجدد DNA از طریق نوترکیبی ژنتیکی اتفاق می‌افتد. موجودات جدید علاوه بر ساختار ژنتیکی، تغییر در فنوتیپ (بروز ظاهری) را نیز نشان می‌دهند. بیشتر یوکاریوت‌ها یک چرخه کامل زندگی جنسی از جمله میوز را نشان می‌دهند، رویداد مهمی که با نوترکیبی، ترکیبات آللی جدید ایجاد می‌کند. در ادامه به انواع حالات نوترکیبی در طبیعت خواهیم پرداخت.

مدل هالیدی برای نوترکیبی عمومی

نوترکیبی عمومی فقط بین رشته‌های مکمل دو مولکول DNA همولوگ اتفاق می‌افتد. اسمیت در 1989، نوترکیبی همولوگ را در پروکاریوت‌ها بررسی کرد. نوترکیبی عمومی در E. coli توسط فعل و انفعالات جفت سازی بازها بین رشته‌های مکمل دو مولکول DNA همولوگ هدایت می‌شود. مارپیچ دوتایی دو مولکول DNA می‌شکند و دو انتهای شکسته شده به رشته‌های مخالف خود می‌پیوندند تا دوباره به هم پیوسته و مارپیچ دوتایی جدیدی ایجاد کنند. سایت تبادل می‌تواند در هر مکانی از توالی نوکلئوتیدهای همولوگ رخ دهد که در آن یک رشته از یک مولکول DNA با رشته دوم جفت شود و هترو دابلکس درست بین دو مارپیچ دوتایی تولید می‌کند. در هترودابلکس هیچ توالی نوکلئوتیدی در محل تبادل به دلیل شکستن و پیوستن تغییر نمی‌کند.

نوترکیبی عمومی به عنوان نوترکیبی همولوگ نیز شناخته می‌شود زیرا به کروموزوم‌های همولوگ نیاز دارد. در باکتری‌ها و ویروس‌ها نوترکیبی عمومی توسط محصولات ژن‌های rec مانند پروتئین RecA انجام می‌شود. هالیدی در 1974 مدلی را برای نشان دادن ترکیب عمومی ارائه داد. طبق این مدل، نوترکیبی در پنج مرحله مانند شکستگی رشته، جفت شدن رشته، هجوم و جذب رشته، تشکیل کیاسما (کراسینگ اور)، شکستگی و پیوند مجدد و «ترمیم عدم تطابق» (Mismatch Repair) رخ می‌دهد. مراحل نوترکیبی عمومی را در ادامه توضیح داده ایم.

مرحله اول شکستگی رشته

نوترکیبی عمومی از طریق کراسینگ اور در جفت شدن بین تک رشته‌های مکمل دابلکس DNA اتفاق می‌افتد. دو منطقه همولوگ مارپیچ دوتایی DNA تحت یک واکنش تبادل قرار می‌گیرند. منطقه همولوگ شامل یک توالی طولانی از جفت شدن بازهای مکمل بین یک رشته از یک یا دو مارپیچ دوتایی اصلی و یک رشته مکمل از دیگری است. با این حال، مشخص نیست که چگونه نواحی همولوگ DNA یکدیگر را تشخیص می‌دهد. ژن‌ها و پروتئین‌های مختلف بسیاری مانند پروتئین‌های RecBCD و ژن‌های recBCD یا recJ در در نوترکیبی اِکلای نقش دارند.

این پروتئین از یک انتهای مارپیچ دوتایی وارد DNA می‌شود و در امتداد DNA با مارپیچ دوتایی حرکت می‌کند و سرعت آن حدود 300 نوکلئوتید در ثانیه است. این یک حلقه از DNA دورشته‌ای (ssDNA) در طول DNA در حال حرکت ایجاد کرده و از انرژی حاصل از هیدرولیز مولکول‌های ATP استفاده می‌کند. یک سایت شناسایی خاص توالی هشت نوکلئوتید پراکنده در سراسر کروموزوم E. coli در حلقه در حال حرکت DNA تشکیل شده توسط پروتئین RecBCD دیده می‌شود.

مرحله دوم جفت شدن بازها

پروتئین‌های RecBCD به عنوان DNA هلیکاز عمل می‌کنند زیرا این آنزیم‌ها هیدرولیزکننده‌های ATP هستند و در امتداد مارپیچ DNA حرکت می‌کنند. بنابراین، پروتئین‌های RecBCD منجر به تشکیل گودی تک رشته‌ای در محل شناسایی می‌شوند که از مارپیچ جدا و جابجا شده است. این تعامل، جفت سازی بازها بین دو توالی مکمل مارپیچ دوگانه DNA را آغاز می‌کند.

مرحله سوم هجوم و جذب رشته

گودی تک رشته‌ای تولید شده از یک مارپیچ دوتایی DNA به مارپیچ دوتایی دیگر حمله می‌کند. در E. coli ژن recA پروتئین RecA تولید می‌کند که برای نوترکیبی بین کروموزوم‌ها مانند پروتئین‌های اتصالی تک رشته (SSB) مهم است. پروتئین RecA محکم به DNA تک رشته متصل می‌شود و یک رشته نوکلئو پروتئین ایجاد می‌کند. پروتئین RecA باعث تجدید رشد سریع دی ان ای دو رشته‌ای ssDNA مکمل از طریق فرآیند هیدرولیز ATP می‌شود. پروتئین RecA دارای چندین محل اتصال است بنابراین، می‌تواند یک ssDNA و متعاقباً یک dsDNA را متصل کند. پروتئین RecA ابتدا به ssDNA متصل می‌شود، سپس به دنبال همسانی بین رشته دهنده و مولکول گیرنده می‌گردد.

به دلیل وجود این سایت‌ها، پروتئین RecA یک واکنش چند مرحله‌ای (که سیناپسیس نامیده می‌شود) بین ناحیه همولوگ ssDNA و مارپیچ مضاعف DNA را کاتالیز می‌کند. پروتئین SSB باکتری E. coli، به پروتئین Rec کمک می‌کند تا این واکنش‌ها را انجام دهد. هنگامی که یک منطقه از همسانی توسط جفت شدن بازهای اولیه بین توالی‌های مکمل شناسایی می‌شود، مرحله مهم در سیناپسیس اتفاق می‌افتد. آزمایشات In Vivo نشان داده است که چندین نوع کمپلکس بین یک ssDNA پوشیده شده با پروتئین RecA و یک مارپیچ dsDNA ایجاد می‌شود. این مجموعه ناپایدار است و یک هترودابلکس DNA به همراه یک ssDNA جابجا شده را از مارپیچ اصلی بیرون می‌زند.

مرحله چهارم مهاجرت شاخه

مرحله بعدی همانند ادغام رشته‌ها و بستن شکاف‌ها است. رشته دهنده به تدریج رشته گیرنده را جابجا می‌کند که این فرایند مهاجرت شاخه نامیده می‌شود. پس از تشکیل سیناپسیس، منطقه هترودابلکس (از طریق مهاجرت شاخه‌های هدایت پروتئین که توسط پروتئین RecA کاتالیز می‌شود) بزرگ می‌شود. مهاجرت شاخه‌ای هدایت شده توسط پروتئین RecA به دلیل افزودن پروتئین RecA بیشتر به یک انتهای پروتئین RecA روی DNA دو رشته‌ای ssDNA و با سرعت یکنواختی در یک جهت پیش می‌رود. مهاجرت شاخه‌ها می‌تواند در هر نقطه‌ای که دو رشته منفرد با توالی سعی در جفت شدن با همان رشته مکمل داشته باشند، انجام شود.

یک منطقه جفت نشده از تک رشته دیگر به حرکت شاخه بدون تغییر تعداد کل جفت بازهای DNA منجر می‌شود. هلیکازهای DNA ویژه که مهاجرت شاخه‌ای هدایت شده توسط پروتئین را کاتالیز می‌کنند، در نوترکیبی نقش دارند. در مقابل، مهاجرت خود به خود شاخه تقریباً با همان سرعت در هر دو جهت پیش می‌رود، بنابراین، در مسافت طولانی کمی پیشرفت می‌کند.

مرحله پنجم تشکیل کراسینگ اور و کیاسما

تبادل یک رشته واحد بین دو مارپیچ دوتایی گام متفاوتی در یک نوترکیبی عمومی است. تصور می‌شود که پس از مبادله رشته‌ای متقابل اولیه، مبادلات رشته‌ای بیشتر بین دو مارپیچ کاملاً مخالف با سرعت بیشتری پیش رود. یک نوکلئاز DNA را قطع می‌کند و در بعضی نقاط حلقه D را تخریب می‌کند. در این مرحله موجودات مختلف احتمالاً مسیرهای مختلفی را دنبال می‌کنند. با این حال، در بیشتر موارد یک ساختار مهم به نام تبادل متقاطع (که تقاطع هالیدی یا ساختار chi یا کیاسما نامیده می‌شود) توسط دو مارپیچ DNA شرکت کننده تشکیل می‌شود.

شکل chi دو مارپیچ همولوگ که در ابتدا با مبادله متقابل دو تا از چهار رشته که یک رشته از هر یک از مارپیچ‌ها منشا می‌گیرد، جفت شده و با هم نگه داشته می‌شوند. فرم چی دارای دو ویژگی مهم است، اولی این است که محل مبادله می‌تواند به سرعت و در امتداد مارپیچ‌ها با مهاجرت دو شاخه مهاجرت کند و دوم اینکه شامل دو جفت رشته، یک جفت رشته عبورکننده و یک جفت رشته غیر عبورکننده است.

مرحله ششم شکستن و باز پیوست

ساختار chi می‌تواند چندین چرخش را ایزومریزه کند. این منجر به تغییر دو رشته اصلی غیر عبورکننده به داخل رشته‌های عبورکننده و رشته‌های عبورکننده به رشته‌های غیر عبورکننده می‌شود. به منظور بازسازی دو مارپیچ DNA جداگانه، شکستن و پیوند مجدد در دو رشته عبورکننده لازم است. اگر شکستن و پیوستن مجدد قبل از ایزومریزاسیون رخ دهد، دو رشته عبور نمی‌کنند. بنابراین، ایزومریزاسیون برای شکستن و پیوستن دو مارپیچ دوتایی همولوگ حاصل از نوترکیبیِ ژنتیکی عمومی، لازم است. شکست و بازپیوست در سطح عمودی یا افقی رخ می‌دهد. اگر شکستگی به صورت افقی رخ دهد، ترکیبات حاوی ژنوتیپ جفت همولوگ (ABlab) با کمی تغییر در توالی اصلی در منطقه داخلی همراه است. اما، اگر شکستگی به صورت عمودی رخ دهد، ترکیبات ناشی از نوترکیبی حاوی Ab / aB هستند. پروتئین‌های RurC و RecG به ترتیب بیان شده از ژن‌های ruvC و recG اندونوکلئازهای جایگزین خاص برای ساختار هالیدی هستند.