Репликаторни, сегрегаторни и рекомбинаторни гени – основни генетски системи за одржување на геномот

Вовед

Геномот на секоја клетка претставува комплетна наследна информација која мора да се одржува, копира и пренесува со висока точност. За да може една клетка да преживее и да се дели, таа мора:

• да го реплицира ДНК материјалот (копирање на геномот),
• да ги раздели (сегрегира) хромозомите во ќерките клетки,
• да изврши рекомбинација (генетска размена и поправка на оштетувања).

Овие процеси се контролирани од три функционални групи гени:

• репликаторни гени (replicator genes),
• сегрегаторни гени (segregator genes),
• рекомбинаторни гени (recombinator genes).

Овие гени често се нарекуваат и „housekeeping genes“ или гени за одржување на геномската стабилност, бидејќи без нив клетката не може нормално да се дели.

1. Репликаторни гени (Replicator genes)

Дефиниција

Репликаторните гени се гени кои кодираат протеини неопходни за репликација на ДНК, односно процесот на копирање на генетскиот материјал пред клеточната делба.

Репликацијата е полу-конзервативен процес: секоја нова ДНК молекула содржи една стара и една новосинтетизирана нишка.

Главни функции на репликаторните гени. Репликаторните гени обезбедуваат:

• препознавање на почетни места на репликација (origin of replication),
• одмотување на двојната спирала,
• синтеза на нова ДНК нишка,
• стабилизација на репликациската вилушка,
• проверка и корекција на грешки,
• контрола на времето и брзината на репликација.

Клучни протеини кодирани од репликаторни гени:

1. ДНК хеликаза

ја „отвора“ двојната спирала на ДНК

пример: MCM комплексот (Mini Chromosome Maintenance)

2. ДНК полимерази

главните ензими за синтеза на ДНК

кај еукариоти: DNA polymerase α, δ и ε

кај прокариоти: DNA polymerase III

3. Примаза

синтетизира кратки РНК прајмери за да може ДНК полимеразата да почне со работа.

4. Лигаза

ги поврзува Оказаки фрагментите на заостанатата нишка.

5. Топоизомерази

• ја намалуваат торзионата напнатост на ДНК
• спречуваат заплеткување на хромозомите

6. Протеини за стабилизација на едноверижната ДНК (SSB proteins)

ја штитат отворената ДНК од деградација.

Репликациска точност и proofreading

Репликаторните системи се исклучително прецизни. ДНК полимеразите имаат proofreading активност (3’→5’ егзонуклеаза) која ги отстранува погрешно внесените нуклеотиди.

Грешките се јавуваат ретко (приближно 1 грешка на 10⁹-10¹⁰ базни парови), но ако репликаторните гени се нарушени, стапката на мутации драматично расте.

Клиничко значење на репликаторните гени

Дефекти во репликаторни гени водат до:

• геномска нестабилност,
• забрзано стареење,
• канцерогенеза,
• хромозомски абнормалности.

Пример: мутации во DNA полимеразните гени → синдроми со канцер-предиспозиција.

2. Сегрегаторни гени (Segregator genes)

Дефиниција

Сегрегаторните гени се гени кои кодираат протеини потребни за правилно разделување на хромозомите при клеточна делба (митоза или мејоза).

Ако ДНК е правилно копирана, но не е правилно распределена, клетките ќе добијат погрешен број хромозоми.

Основна улога

Сегрегаторните гени обезбедуваат:

• формирање на митотско/мејотско вретено (spindle apparatus),
• прикачување на хромозомите за микротубулите,
• движење на хромозомите кон полови,
• правилно разделување на сестринските хроматиди.

Клучни структури во сегрегацијата

1. Центромер

Центромерот е дел од хромозомот каде се формира кинетохорот.

2. Кинетохор

Протеински комплекс кој е „сидро“ за микротубулите.

3. Микротубули и моторни протеини

Движењето на хромозомите се овозможува преку:

• динеин,
• кинезин.
• Кохезин и кондензин
• Кохезин (cohesin complex) ги држи сестринските хроматиди заедно. Се разградува во анафаза за да започне разделување

Кондензин (condensin complex):

• учествува во кондензација на хромозомите
• овозможува правилно пакување за време на митоза

Што се случува ако сегрегаторните гени се нарушени?

Кога сегрегацијата е дефектна, се јавува:

• анеуплоидија (погрешен број хромозоми),
• микронуклеуси,
• хромозомски мостови,
• клеточна смрт или канцерогена трансформација.

Клиничко значење

Нарушена сегрегација е основа за:

• Даун синдром (трисомија 21),
• Тарнер синдром (45,X),
• Клајнфелтер синдром (47,XXY),
• бројни форми на канцер со хромозомска нестабилност.

Важно е да се нагласи: не секоја анеуплоидија е наследна; многу често е резултат на мејотска не-дисјункција, каде сегрегаторните механизми не функционираат.

3. Рекомбинаторни гени (Recombinator genes)

Дефиниција

Рекомбинаторните гени се гени кои кодираат протеини неопходни за процесот на генетска рекомбинација, односно размена на генетски материјал меѓу ДНК молекули или хромозоми.

Рекомбинацијата е важна за:

• генетска варијабилност (особено во мејоза),
• поправка на оштетувања во ДНК,
• стабилност на геномот.

Типови рекомбинација

1. Хомологна рекомбинација (Homologous recombination)

• се случува меѓу слични (хомологни) секвенци
• клучна во мејоза
• важна за поправка на двојни прекини (double-strand breaks)

2. Нехомологно спојување (Non-homologous end joining, NHEJ)

• не бара голема секвенциска сличност
• побрз механизам, но со поголем ризик за грешки

Клучни рекомбинаторни протеини

RAD51 централна улога во хомологна рекомбинација. Создава „нуклеопротеински филамент“ кој ја бара хомологната секвенца.

BRCA1 и BRCA2 учествуваат во поправка на двојни прекини мутации водат до висока канцерогеност (рак на дојка, јајници).

RecA (кај бактерии) функционален еквивалент на RAD51.

Ku70/Ku80 и DNA-PK клучни во NHEJ механизмот.

Рекомбинација во мејоза

Во мејоза, рекомбинацијата создава:

• crossing-over (крстосување),
• нови комбинации на алели,
• генетска разновидност кај потомството.

Без рекомбинација, еволуцијата би била многу побавна и популациите би биле генетски „крути“.

Клиничко значење

Дефекти во рекомбинаторни гени водат до:

• канцер (поради акумулација на ДНК оштетувања),
• неплодност (поради дефектна мејоза),
• имунолошки проблеми (поради нарушен V(D)J recombination),
• синдроми со хромозомска нестабилност.

Пример:

• BRCA мутации → рак
• ATM мутации → атаксија-телангиектазија
• Fanconi anemia genes → дефект во поправка на ДНК

Интеграција: како овие три групи гени работат заедно?

Репликација + сегрегација + рекомбинација = геномска стабилност

Во секој клеточен циклус:

• Репликаторните гени ја копираат ДНК.
• Рекомбинаторните гени ги поправат грешките/прекините.
• Сегрегаторните гени обезбедуваат правилна распределба на хромозомите.

Ако било која од овие групи е нарушена → се јавува геномска нестабилност, која е основа за стареење и канцер.

Заклучок

Репликаторните, сегрегаторните и рекомбинаторните гени претставуваат основни функционални групи гени кои го обезбедуваат опстанокот на клетката и стабилноста на наследниот материјал. Тие се клучни за нормален раст, развој и размножување. Нарушувања во нивната функција водат до сериозни биолошки последици како мутации, хромозомски абнормалности, генетски синдроми и канцер.