Homoloogiline rekombinatsioon

Ajalugu

XX sajandi alguses leidsid William Bateson ja Reginald Punnett algselt Gregor Mendeli kirjeldatud tunnuste geneetilise pärandumises eripära. Mendeli arvates pärandusid kõik tunnused eraldi, kuid Bateson ja Punnet näitasid, et need võivad päranduda ka koos. 1911.aastal pakkus Thomas Hunt Morgan välja, et aheldatud geenides võib toimuda "ristsiire", kus üks geen võib liikuda ühest kromosoomist teise kromosoomi. Kaks aastakümmet hiljem näitas Barbara McClintock ja Harriet Creighton, et ristsiire toimub meioosis. Samal aastal näitas Curt Stern, et selline rekombinatsioon võib toimuda ka somaatilistes rakkudes.
1947. aastal leidis Joshua Lederberg, et bakterites toimub geneetiline rekombinatsioon. Varem arvati, et bakterid paljunevad ainult aseksuaalselt pooldumise teel. Taoline rekombinatsioon on sarnane seksuaalse paljunemisega. Paljuski tänu Lederbergi tööle sai soolekepike geneetiliste uuringute mudelorganismiks. 1964. aastal pakkus Robin Holliday välja rekombinatsiooni toimimise mudeli meioosis ja detailsed kirjeldused, kuidas protsess täpsemalt toimib, näidates ka geneetilise materjali vahetust kromosoomides Holliday ühenduste abil.

Homoloogiline rekombinatsioon eukarüootides

Homoloogiline rekombinatsioon on hädavajalik kõigile eükarootidele (taimed, loomad, seened ja protistid). Mitoosi kaudu paljunevates rakkudes toimub homoloogilise rekombinatsiooni abil kaheahelaliste katkete parandamine. Sellised katkestused võivad tekkida ioniseeriva radiatsiooni või DNAle kahjulike kemikaalide toimel. Kui neid katkestusi somaatilistes rakkudes ei parandata, võivad toimuda kromosoomides suured ümberkorraldused, mis võivad omakorda viia vähi tekkeni.
Lisaks DNA parandamisele on homoloogiline rekombinatsioon oluline geneetilise mitmekesisuse tekitamisele rakkude paljunemisel meioosis. Meioosis tekivad spetsialiseerunud sugurakud, gameedid – loomades sperma- ja munarakud, taimedes seemnetolm ja seemnepung, ja spoorid seentes. Meioosis toimub ristsiire homoloogilistes kromosoomides sarnaste, kuid mitte identsete DNA ahelate vahel. Selline protsess loob uusi geneetilisi kombinatsioone, millest mõned kombinatsioonid võivad anda järglastele evolutsioonilise eelise.

Mudelid

Homoloogilisel rekombinatsioonil eukarüootides on kaks põhilist rada: DSBR (vahel nimetatakse ka Holliday ühenduseks) ja SDSA (sünteesist sõltuv ahela seondumine). Mõlemal juhul on paar esimest sammu sarnased. Kui toimub kaheahelaline katkestus, siis seondub kahele poole katkestust MRX kompleks. Järgmisena toimub DNA 5' otste lõikamine ehk resektsioon.

Homoloogiline rekombinatsioon bakterites

Bakterites on homoloogiline rekombinatsioon tähtis DNA reparatsioonil, samuti ka geneetilise mitmekesisuse loomisel bakteripopulatsioonis. Kuid protsess, mis bakterites mitmekesisust loob, erineb eükarootsest meioosist. Kõige rohkem on homoloogilist rekombinatsiooni uuritud soolekepikeses. Kaheahelalist DNA katkestust parandab bakteris RecBCD rada. Kui kaheahelalises DNAs on toimunud katkestus ainult ühes ahelas, siis toimub selle parandamine RecF raja kaudu. Nii RecBCD ja RecF hulka kuuluvad ahela migratsiooni reaktsioonid, kus DNA ahelaid vahetatkse kahe ristunud DNA dupleksi vahel, samuti ka resolutsioon, kus kaks ristunud DNAd lõigatakse lahti ja taastatakse nende tavaline kaheahelaline olek.

Homoloogiline rekombinatsioon viirustes

Homoloogiline rekombinatsioon toimub mitmetes erinevates viirustes. DNA-viirustel, nagu näiteks herpesviirusel, toimub rekombinatsioon taolise mehhanismiga nagu bakterites ja eukarüootides. Leidub ka tõendeid homoloogilisest rekombinatsioonist teatud RNA viirustes, näiteks retroviirustes, picornaviirustes ja coronaviirustes.
RNA viirustel võib rekombinatsioon olla täpne või ebatäpne. Täpse rekombinatsiooni puhul ei ole kahel järjestusi vahetaval RNA lõigul erinevusi. Ebatäpses rekombinatsioonis on aga järjestustel väikesed erinevused, mis võivad tuleneda nukleotiidide lisandumisest, deletsioonist või teistest muutustest. Adeniini- ja uratsiilirikkad RNA järjestused vähendavad ristsiirde täpsust.
Homoloogilisel rekombinatsioonil on tähtis osa viiruste evolutsioonis. Näiteks võivad kaks erineva kahjuliku mutatsiooniga viirust rekombineeruda ning omandada toimiva genoomi. Samuti võivad ühte ja sama peremeesrakku nakatunud viirused rekombineeruda ja geene vahetada ning saada nakatumisvõimelisemaks.

Vead homoloogilises rekombinatsioonis

Ilma toimiva homoloogilise rekombinatsioonita järjestuvad kromosoomid meioosis valesti, nad võivad lahkneda ebanormaalselt ning tekib liiga vähe või liiga palju kromosoomieksemplare. Näiteks Downi sündroomi puhul on üks lisaeksemplar 21. kromosoomist.
Liiga vähene homoloogiline rekombinatsioon võib viia vähi tekkeni. Näiteks on Bloomi sündroom, Werneri sündroom ja Rothmundi-Thomsoni sündroom seotud vigase RecQ helikaasi geenidega, mis osalevad homoloogilise rekombinatsiooni reguleerimises.
Samuti on vähenenud homoloogiline rekombinatsioon seotud DNA ebaefektiivse parandamisega. BRCA1 ja BRCA2 on kasvaja supressorgeenid, nende väljalülitumine tõstab rinna- ja munasarjavähi tekke võimalust. Rakkudes, kus puudub toimiv BRCA1 ja BRCA2, on vähenenud homoloogiline rekombinatsioon, mis omakorda viib vähi vastuvõtlikkusele. Kuna BRCA2 ainukene teadaolev funktsioon on seotud homoloogilise rekombinatsioon initsieerimisega, siis spekuleerivad teadlased, et BRCA2 täpse rolli väljaselgitamine selles protsessis võib aidata mõista rinna- ja munasarjavähi tekke põhjuseid.

Homoloogilise rekombinatsiooni evolutsioon

Valkudel, mis osalevad homoloogilises rekombinatsioonis, on sarnaseid aminohappelisi järjestusi. Seetõttu arvatakse, et neil on ühine eellane. Näiteks üks selliste valkude perekond on RecA/Rad51, mis hõlmab RecA valku bakteritest ja Rad51 ning Dmc1 valke eukarüootidest, samuti ka RadA ja RadB valke arhedest. Kõik need valgud on olulised homoloogilise rekombinatsiooni algusfaasis.
Uuringud on näidanud, et Rad51, Dmc1 ja RadA valgud on monofüleetilised – neil on ühine molekulaarne eellane.