Recombinaison génétique - Genetic recombination

Un modèle actuel de recombinaison méiotique, initiée par une rupture ou une lacune double brin, suivie d'un appariement avec un chromosome homologue et une invasion de brin pour initier le processus de réparation recombinaison. La réparation de l'espace peut conduire à un croisement (CO) ou à un non-croisement (NCO) des régions flanquantes. On pense que la recombinaison du CO se produit par le modèle Double Holliday Junction (DHJ), illustré à droite ci-dessus. On pense que les recombinants NCO se produisent principalement par le modèle de recuit de brin dépendant de la synthèse (SDSA), illustré à gauche, ci-dessus. La plupart des événements de recombinaison semblent être du type SDSA.

La recombinaison génétique (également connue sous le nom de remaniement génétique ) est l'échange de matériel génétique entre différents organismes qui conduit à la production d'une progéniture avec des combinaisons de traits qui diffèrent de ceux trouvés chez l'un ou l'autre des parents. Chez les eucaryotes , la recombinaison génétique pendant la méiose peut conduire à un nouvel ensemble d' informations génétiques qui peuvent être transmises des parents à la progéniture. La plupart des recombinaisons se produisent naturellement.

Au cours de la méiose chez les eucaryotes, la recombinaison génétique implique l'appariement de chromosomes homologues . Ceci peut être suivi d'un transfert d'informations entre les chromosomes. Le transfert d'informations peut se produire sans échange physique (une section de matériel génétique est copiée d'un chromosome à un autre, sans que le chromosome donneur ne soit modifié) (voir la voie SDSA sur la figure) ; ou par la rupture et la réunion de brins d' ADN , ce qui forme de nouvelles molécules d'ADN (voir la voie DHJ sur la figure).

La recombinaison peut également se produire pendant la mitose chez les eucaryotes où elle implique habituellement les deux chromosomes frères formés après la réplication chromosomique. Dans ce cas, de nouvelles combinaisons d' allèles ne sont pas produites puisque les chromosomes frères sont généralement identiques. Dans la méiose et la mitose, la recombinaison se produit entre des molécules d'ADN similaires ( séquences homologues ). Dans la méiose, les chromosomes homologues non-sœurs s'apparient de sorte que la recombinaison se produit de manière caractéristique entre les homologues non-sœurs. Dans les cellules méiotiques et mitotiques, la recombinaison entre les chromosomes homologues est un mécanisme courant utilisé dans la réparation de l'ADN .

Conversion génique - le processus au cours duquel les séquences homologues sont rendues identiques relève également de la recombinaison génétique.

La recombinaison génétique et la réparation de l'ADN par recombinaison se produisent également chez les bactéries et les archées , qui utilisent la reproduction asexuée .

La recombinaison peut être induite artificiellement en laboratoire ( in vitro ), produisant de l' ADN recombinant à des fins telles que le développement de vaccins .

La recombinaison V(D)J dans les organismes dotés d'un système immunitaire adaptatif est un type de recombinaison génétique spécifique à un site qui aide les cellules immunitaires à se diversifier rapidement pour reconnaître et s'adapter à de nouveaux agents pathogènes .

Synapsis

Au cours de la méiose, la synapsis (l'appariement de chromosomes homologues) précède habituellement la recombinaison génétique.

Mécanisme

La recombinaison génétique est catalysée par de nombreuses enzymes différentes . Les recombinases sont des enzymes clés qui catalysent l'étape de transfert de brin pendant la recombinaison. RecA , la principale recombinase trouvée dans Escherichia coli , est responsable de la réparation des cassures double brin de l'ADN (DSB). Dans la levure et d'autres organismes eucaryotes, deux recombinases sont nécessaires pour réparer les DSB. La protéine RAD51 est requise pour la recombinaison mitotique et méiotique , tandis que la protéine de réparation de l'ADN, DMC1 , est spécifique à la recombinaison méiotique. Chez les archées, l' orthologue de la protéine bactérienne RecA est RadA.

Recombinaison bactérienne

Dans les bactéries il y a :

  • recombinaison bactérienne régulière , ainsi qu'un transfert non efficace de matériel génétique , exprimé en
  • transfert infructueux ou transfert avorté qui est tout transfert d' ADN bactérien des receveurs de cellules donneuses qui ont défini l'ADN entrant comme faisant partie du matériel génétique du receveur. Le transfert avorté a été enregistré dans la transduction et la conjugaison suivantes. Dans tous les cas, le fragment transmis est dilué par la croissance de la culture.

Croisement chromosomique

L'illustration de la traversée par Thomas Hunt Morgan (1916)

Chez les eucaryotes , la recombinaison au cours de la méiose est facilitée par le croisement chromosomique . Le processus de croisement conduit à une progéniture ayant des combinaisons de gènes différentes de celles de leurs parents, et peut parfois produire de nouveaux allèles chimériques . Le brassage des gènes provoqué par la recombinaison génétique produit une variation génétique accrue . Il permet également aux organismes à reproduction sexuée d'éviter le cliquet de Muller , dans lequel les génomes d'une population asexuée accumulent des délétions génétiques de manière irréversible.

Le croisement chromosomique implique une recombinaison entre les chromosomes appariés hérités de chacun de ses parents, se produisant généralement pendant la méiose . Pendant la prophase I (stade pachytène), les quatre chromatides disponibles sont en formation étroite les unes avec les autres. Dans cette formation, des sites homologues sur deux chromatides peuvent s'apparier étroitement les uns aux autres et peuvent échanger des informations génétiques.

Étant donné que la recombinaison peut se produire avec une faible probabilité à n'importe quel endroit le long du chromosome, la fréquence de recombinaison entre deux emplacements dépend de la distance qui les sépare. Par conséquent, pour des gènes suffisamment distants sur le même chromosome, la quantité de croisement est suffisamment élevée pour détruire la corrélation entre les allèles .

Le suivi du mouvement des gènes résultant des croisements s'est avéré très utile pour les généticiens. Parce que deux gènes proches sont moins susceptibles de se séparer que des gènes plus éloignés, les généticiens peuvent déduire approximativement à quelle distance se trouvent deux gènes sur un chromosome s'ils connaissent la fréquence des croisements. Les généticiens peuvent également utiliser cette méthode pour déduire la présence de certains gènes. On dit que les gènes qui restent ensemble pendant la recombinaison sont liés. Un gène d'une paire liée peut parfois être utilisé comme marqueur pour déduire la présence d'un autre gène. Ceci est généralement utilisé afin de détecter la présence d'un gène pathogène.

La fréquence de recombinaison entre deux loci observée est la valeur de croisement . C'est la fréquence de croisement entre deux loci de gènes liés ( marqueurs ), et dépend de la distance mutuelle des loci génétiques observés. Pour tout ensemble fixe de conditions génétiques et environnementales, la recombinaison dans une région particulière d'une structure de liaison ( chromosome ) a tendance à être constante, et il en va de même pour la valeur de croisement qui est utilisée dans la production de cartes génétiques .

Conversion de gènes

Lors de la conversion génique, une partie du matériel génétique est copiée d'un chromosome à un autre, sans que le chromosome donneur ne soit modifié. La conversion génique se produit à haute fréquence sur le site réel de l'événement de recombinaison pendant la méiose . C'est un processus par lequel une séquence d'ADN est copiée d'une hélice d'ADN (qui reste inchangée) à une autre hélice d'ADN, dont la séquence est altérée. La conversion génique a souvent été étudiée dans des croisements fongiques où les 4 produits de méioses individuelles peuvent être commodément observés. Les événements de conversion génique peuvent être distingués comme des écarts dans une méiose individuelle par rapport au modèle de ségrégation 2:2 normal (par exemple un modèle 3:1).

Recombinaison non homologue

Une recombinaison peut se produire entre des séquences d'ADN qui ne contiennent aucune homologie de séquence . Cela peut provoquer des translocations chromosomiques , conduisant parfois à un cancer.

Dans les cellules B

Les cellules B du système immunitaire effectuent une recombinaison génétique, appelée commutation de classe d'immunoglobulines . C'est un mécanisme biologique qui fait passer un anticorps d'une classe à une autre, par exemple, d'un isotype appelé IgM à un isotype appelé IgG .

Ingénierie génétique

En génie génétique , la recombinaison peut également faire référence à la recombinaison artificielle et délibérée de morceaux d'ADN disparates, souvent issus d'organismes différents, créant ce qu'on appelle l' ADN recombinant . Un excellent exemple d'une telle utilisation de la recombinaison génétique est le ciblage génique , qui peut être utilisé pour ajouter, supprimer ou modifier autrement les gènes d'un organisme. Cette technique est importante pour les chercheurs biomédicaux car elle leur permet d'étudier les effets de gènes spécifiques. Des techniques basées sur la recombinaison génétique sont également appliquées en génie des protéines pour développer de nouvelles protéines d'intérêt biologique.

Réparation par recombinaison

Les dommages à l'ADN causés par une variété d'agents exogènes (par exemple la lumière UV , les rayons X , les agents de réticulation chimiques ) peuvent être réparés par la réparation par recombinaison homologue (HRR). Ces résultats suggèrent que les dommages à l'ADN résultant de processus naturels , tels que l'exposition à des espèces réactives de l'oxygène qui sont des sous-produits du métabolisme normal, sont également réparés par HRR. Chez les humains, les déficiences dans les produits de gènes nécessaires à la RRH pendant la méiose infertilité cause probable chez l' homme, les déficiences dans les produits de gènes nécessaires à RRH, tels que BRCA1 et BRCA2 , augmentent le risque de cancer (voir le trouble défaut de réparation de l' ADN ).

Chez les bactéries, la transformation est un processus de transfert de gènes qui se produit habituellement entre des cellules individuelles de la même espèce bactérienne. La transformation implique l'intégration de l'ADN du donneur dans le chromosome receveur par recombinaison. Ce processus semble être une adaptation pour réparer les dommages à l'ADN dans le chromosome receveur par HRR. La transformation peut apporter un avantage aux bactéries pathogènes en permettant la réparation des dommages à l'ADN, en particulier des dommages qui se produisent dans l'environnement inflammatoire et oxydant associé à l'infection d'un hôte.

Lorsque deux virus ou plus, chacun contenant des dommages génomiques mortels, infectent la même cellule hôte, les génomes viraux peuvent souvent s'apparier et subir une HRR pour produire une descendance viable. Ce processus, appelé réactivation de multiplicité, a été étudié dans les bactériophages lambda et T4 , ainsi que dans plusieurs virus pathogènes. Dans le cas des virus pathogènes, la réactivation de la multiplicité peut être un avantage adaptatif pour le virus car elle permet la réparation des dommages à l'ADN causés par l'exposition à l'environnement oxydant produit lors de l'infection de l'hôte. Voir aussi réassortiment .

Recombinaison méiotique

Les modèles moléculaires de la recombinaison méiotique ont évolué au fil des ans à mesure que les preuves pertinentes s'accumulaient. Une incitation majeure pour développer une compréhension fondamentale du mécanisme de la recombinaison méiotique est qu'une telle compréhension est cruciale pour résoudre le problème de la fonction adaptative du sexe, un problème majeur non résolu en biologie. Un modèle récent qui reflète la compréhension actuelle a été présenté par Anderson et Sekelsky, et est décrit dans la première figure de cet article. La figure montre que deux des quatre chromatides présentes au début de la méiose (prophase I) sont appariées et capables d'interagir. La recombinaison, dans cette version du modèle, est initiée par une cassure double brin (ou écart) montrée dans la molécule d'ADN (chromatide) en haut de la première figure de cet article. Cependant, d'autres types de dommages à l'ADN peuvent également initier une recombinaison. Par exemple, une réticulation interbrin (causée par l'exposition à un agent de réticulation tel que la mitomycine C) peut être réparée par HRR.

Comme indiqué sur la première figure ci-dessus, deux types de produits recombinants sont produits. Sur le côté droit est indiqué un type « croisé » (CO), où les régions flanquantes des chromosomes sont échangées, et sur le côté gauche, un type « non-croisé » (NCO) où les régions flanquantes ne sont pas échangées. La recombinaison de type CO implique la formation intermédiaire de deux « jonctions de vacances » indiquées en bas à droite de la figure par deux structures en forme de X dans chacune desquelles il y a un échange de brins simples entre les deux chromatides participantes. Cette voie est étiquetée sur la figure sous le nom de voie DHJ (double jonction de vacances).

Les recombinants NCO (illustrés à gauche sur la figure) sont produits par un procédé dit de « synthèse dépendante strand annealing » (SDSA). Les événements de recombinaison de type NCO/SDSA semblent être plus fréquents que ceux de type CO/DHJ. La voie NCO/SDSA contribue peu à la variation génétique, puisque les bras des chromosomes flanquant l'événement de recombinaison restent dans la configuration parentale. Ainsi, les explications de la fonction adaptative de la méiose qui se concentrent exclusivement sur le croisement sont insuffisantes pour expliquer la majorité des événements de recombinaison.

Achiasmie et hétérochiasmie

L'achiasmie est le phénomène où la recombinaison autosomique est complètement absente chez un sexe d'une espèce. La ségrégation chromosomique achiasmatique est bien documentée chez le Drosophila melanogaster mâle . L'hétérochiasmie se produit lorsque les taux de recombinaison diffèrent entre les sexes d'une espèce. Ce modèle de dimorphisme sexuel dans le taux de recombinaison a été observé chez de nombreuses espèces. Chez les mammifères, les femelles ont le plus souvent des taux de recombinaison plus élevés. La "règle Haldane-Huxley" stipule que l'achiasmie se produit généralement dans le sexe hétérogamétique .

recombinaison de virus à ARN

De nombreux virus à ARN sont capables de recombinaison génétique lorsqu'au moins deux génomes viraux sont présents dans la même cellule hôte. La recombinaison du virus à ARN se produit pendant la transcription inverse et est médiée par l'enzyme, la transcriptase inverse. La recombinaison se produit lorsque la transcriptase inverse passe d'un génome d'ARN de virus à l'autre génome d'ARN de virus, ce qui entraîne un événement de « changement de modèle » et un seul brin d'ADN qui contient des séquences des deux génomes d'ARN viral. La recombinaison est largement responsable de la diversité des virus à ARN et de l'évasion immunitaire. La recombinaison d'ARN semble être une force motrice majeure dans la détermination de l'architecture du génome et le cours de l'évolution virale chez les picornaviridae ( (+)ssRNA ) (par exemple le poliovirus ). Chez les retroviridae ((+)ssRNA)(eg HIV ), les dommages dans le génome de l'ARN semblent être évités lors de la transcription inverse par la commutation de brins, une forme de recombinaison.

La recombinaison se produit également dans les reoviridae (dsRNA) (par exemple le réovirus), les orthomyxoviridae ((-)ssRNA) (par exemple le virus de la grippe ) et les coronaviridae ((+)ssRNA) (par exemple le SRAS ).

La recombinaison dans les virus à ARN semble être une adaptation pour faire face aux dommages du génome. La commutation entre les brins de matrice pendant la réplication du génome, appelée recombinaison à choix de copie, a été initialement proposée pour expliquer la corrélation positive des événements de recombinaison sur de courtes distances dans les organismes avec un génome à ADN (voir première figure, voie SDSA ). Le modèle à choix de copie forcé suggère que la transcriptase inverse subit une commutation de modèle lorsqu'elle rencontre une coupure dans la séquence d'ARN viral. Ainsi, le modèle à choix de copie forcé implique que la recombinaison est nécessaire pour l'intégrité et la survie du virus, car il est capable de corriger les dommages génomiques afin de créer de l'ADN proviral. Un autre modèle de recombinaison contredit cette idée et propose plutôt que la recombinaison se produise sporadiquement lorsque les deux domaines de la transcriptase inverse, la RNAse H et la polymérase, diffèrent par leurs vitesses d'activité. Cela force l'enzyme transcriptase inverse hors d'un brin d'ARN et sur le second. Ce deuxième modèle de recombinaison est appelé modèle de choix dynamique. Une étude de Rawson et al. déterminé que les deux modèles de recombinaison sont corrects dans la recombinaison du VIH-1, et que la recombinaison est nécessaire pour la réplication virale.

La recombinaison peut se produire rarement entre des virus animaux de la même espèce mais de lignées divergentes. Les virus recombinants résultants peuvent parfois provoquer une épidémie d'infection chez l'homme.

Lors de la réplication de son génome (+)ssRNA , l' ARN polymérase dépendante de l'ARN du poliovirus (RdRp) est capable d'effectuer une recombinaison. La recombinaison semble se produire par un mécanisme de choix de copie dans lequel le RdRp commute les matrices d'ARNss (+) pendant la synthèse du brin négatif. La recombinaison par commutation de brin RdRp se produit également dans les carmovirus et les tombusvirus des plantes (+)ssRNA .

La recombinaison semble être une force motrice majeure pour déterminer la variabilité génétique au sein des coronavirus, ainsi que la capacité des espèces de coronavirus à passer d'un hôte à un autre et, rarement, pour l'émergence de nouvelles espèces, bien que le mécanisme de recombinaison ne soit pas clair. Au cours des premiers mois de la pandémie de COVID-19, il a été suggéré qu'un tel événement de recombinaison avait été une étape critique dans l'évolution de la capacité du SRAS-CoV-2 à infecter les humains. L'ensemble du motif de liaison au récepteur du SRAS-CoV-2 semble, sur la base d'observations préliminaires, avoir été introduit par recombinaison à partir de coronavirus de pangolins . Cependant, des analyses plus complètes ont par la suite réfuté cette suggestion et montré que le SRAS-CoV-2 a probablement évolué uniquement chez les chauves-souris et avec peu ou pas de recombinaison.

Voir également

Les références

Liens externes

Domaine public Cet article incorpore  du matériel du domaine public du document NCBI : "Science Primer" .