تلدين السلاسل المعتمد على التخليق

يُعدّ التلدين المعتمد على التخليق ( SDSA ) آليةً رئيسيةً لإصلاح انقطاعات الحمض النووي المزدوجة (DSBs) الموجهة بالتماثل . على الرغم من أن العديد من خصائص التلدين المعتمد على التخليق قد طُرحت لأول مرة عام 1976، ^{[ 1 ]} إلا أن نموذج وصلة هوليداي المزدوجة، الذي طُرح عام 1983 ^{[ 2 ]،} حظي بتأييد العديد من الباحثين. في عام 1994، وُجد أن دراسات إصلاح فجوات الحمض النووي المزدوجة في ذبابة الفاكهة لا تتوافق مع نموذج وصلة هوليداي المزدوجة، مما دفع الباحثين إلى اقتراح نموذج أطلقوا عليه اسم التلدين المعتمد على التخليق. ^{[ 3 ]} وجدت دراسات لاحقة لإعادة التركيب الميوزي في الخميرة S. cerevisiae أن نواتج عدم العبور تظهر في وقت أبكر من وصلات هوليداي المزدوجة أو نواتج العبور، مما يتحدى الفكرة السابقة القائلة بأن كلاً من نواتج العبور وغير العبور تنتج عن وصلات هوليداي المزدوجة، ودفع المؤلفين إلى اقتراح أن نواتج عدم العبور تتولد من خلال SDSA. ^{[ 4 ]}

في الشكل المرفق، تُظهر الخطوة الأولى المُعنونة "استئصال من 5' إلى 3'" تكوين شريط DNA مفرد الطرف 3'، والذي يغزو في الخطوة التالية شريط DNA مزدوج متماثل. وقد ذُكر أن بوليميراز RNA III يُحفز تكوين هجين RNA-DNA عابر عند كسور الشريط المزدوج كخطوة وسيطة أساسية في إصلاح هذه الكسور عن طريق إعادة التركيب المتماثل. ^{[ 5 ]} من شأن تكوين هجين RNA-DNA أن يحمي شريط DNA المفرد الغازي من التحلل. بعد تكوين هجين RNA-DNA الوسيط العابر، يتم استبدال شريط RNA ببروتين Rad51 الذي يُحفز المرحلة اللاحقة من غزو الشريط.

في نموذج SDSA، يتم إصلاح انقطاعات الحمض النووي المزدوجة دون تكوين وصلة هوليداي مزدوجة، بحيث تكون عمليتا إعادة التركيب المتماثل متطابقتين حتى ما بعد تكوين حلقة D مباشرةً. ^{[ 6 ]} في الخميرة، تتكون حلقة D عن طريق غزو السلسلة بمساعدة البروتينات Rad51 و Rad52 ، ^{[ 7 ]} ثم يعمل عليها إنزيم Srs2، وهو إنزيم فك لولب الحمض النووي، لمنع تكوين وصلة هوليداي المزدوجة حتى يتمكن مسار SDSA من الحدوث. ^{[ 8 ]} وبالتالي، تمتد السلسلة 3' الغازية على طول الحمض النووي المزدوج المتماثل المستقبل بواسطة بوليميراز الحمض النووي في الاتجاه من 5' إلى 3'، بحيث تنتقل حلقة D فعليًا - وهي عملية تُعرف باسم تخليق الحمض النووي بالهجرة الفقاعية. ^{[ 9 ]} ثم تنزلق وصلة هوليداي المفردة الناتجة على طول الحمض النووي المزدوج في نفس الاتجاه في عملية تسمى هجرة الفرع ، مما يؤدي إلى إزاحة السلسلة الممتدة من السلسلة الأصلية. يبرز هذا الشريط المزاح ليشكل نتوءًا في الطرف 3' من الحمض النووي المزدوج المكسور الأصلي، والذي يمكنه بعد ذلك أن يرتبط بالطرف المقابل للكسر الأصلي من خلال اقتران القواعد المتكاملة . وهكذا، يملأ تخليق الحمض النووي الفجوات المتبقية من عملية الارتباط، ويمتد طرفا كسر الحمض النووي أحادي السلسلة المتبقي، ويربط جميع الفجوات المتبقية لإنتاج حمض نووي معاد التركيب غير متقاطع. ^{[ 10 ]}

تتميز تقنية SDSA بأن انتقال حلقة D ينتج عنه تضاعف محافظ بدلاً من التضاعف شبه المحافظ ، حيث يتم إزاحة أول خيط ممتد من خيط القالب ، مما يحافظ على سلامة التضاعف المتماثل. لذلك، على الرغم من أن تقنية SDSA تنتج نواتج غير متقاطعة لأن العلامات المحيطة بالحمض النووي غير المتماثل لا يتم تبادلها، إلا أنه قد يحدث تحويل جيني ، حيث يتم نقل الجينات بشكل غير متبادل بين تسلسلين متماثلين. ^{[ 11 ]}

يُعدّ تجميع خيوط البروتين النووي، التي تتألف من الحمض النووي أحادي السلسلة (ssDNA) ونظير RecA ، Rad51 ، خطوةً أساسيةً ضروريةً للبحث عن التماثل أثناء عملية إعادة التركيب . في خميرة التبرعم Saccharomyces cerevisiae ، يقوم ناقل Srs2 بتفكيك خيوط Rad51 أثناء الانقسام الاختزالي . ^{[ 12 ]} من خلال التفاعل المباشر مع Rad51، يُزيل Srs2 بروتين Rad51 من خيوط البروتين النووي، مما يُثبّط تكوين جزيئات الوصل وبنى حلقة D المعتمدة على Rad51 . هذا النشاط التفكيكي خاص بـ Rad51، حيث لا يُفكّك Srs2 بروتين DMC1 (نظير Rad51 الخاص بالانقسام الاختزالي)، أو Rad52 (وسيط Rad51)، أو بروتين التضاعف A ( RPA ، وهو بروتين رابط للحمض النووي أحادي السلسلة). يعزز Srs2 مسار SDSA غير المتقاطع، على ما يبدو عن طريق تنظيم ارتباط RAD51 أثناء تبادل السلاسل. ^{[ 13 ]}

يحدث التباين بين آلية إعادة التركيب المتماثل أحادي السلسلة (SDSA) وآلية الوصل المزدوج لهوليداي عندما تتفكك حلقة D، مما يسمح للسلسلة الوليدة بالالتحام بالطرف الآخر المُستأصل من كسر الحمض النووي المزدوج (في نموذج الوصل المزدوج لهوليداي، تلتصق السلسلة المُزاحة بفعل امتداد حلقة D بالطرف الآخر من كسر الحمض النووي المزدوج في عملية "التقاط الطرف الثاني"). وقد حددت الأبحاث التي أُجريت على ذبابة الفاكهة ( Drosophila melanogaster ) إنزيم هيليكاز متلازمة بلوم (Blm) باعتباره الإنزيم الذي يُعزز تفكك حلقة D. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]} وبالمثل، يبدو أن Sgs1 في الخميرة ( S. cerevisiae )، وهو نظير لـ BLM، مُنظم مركزي لمعظم أحداث إعادة التركيب التي تحدث أثناء الانقسام الاختزالي في الخميرة . ^{[ 17 ]} قد يُفكك Sgs1(BLM) هياكل حلقة D المشابهة لوسائط غزو السلسلة المبكرة، وبالتالي يُعزز تكوين NCO بواسطة SDSA. ^{[ 17 ]} يشكل إنزيم الهيليكاز Sgs1 معقدًا محفوظًا مع ثنائي التغاير توبويزوميراز III ( Top3 ) -RMI1 (الذي يحفز مرور سلسلة مفردة من الحمض النووي). يُسمى هذا المعقد STR (نسبةً إلى مكوناته الثلاثة)، ويعزز التكوين المبكر للمركبات المُعاد تركيبها NCO بواسطة SDSA أثناء الانقسام الاختزالي. ^{[ 18 ]}

كما استعرض أورينغا وآخرون ^{[ 19 ]} ، يُقترح أن إنزيم RTEL1 الحلزوني يُنظم عملية إعادة التركيب أثناء الانقسام الاختزالي في دودة Caenorhabditis elegans . يُعد RTEL1 بروتينًا أساسيًا في إصلاح كسور الحمض النووي المزدوجة. فهو يُعطل حلقات D ويُعتقد أنه يُعزز نتائج NCO من خلال SDSA.

قد يتجاوز عدد كسور الحمض النووي المزدوجة (DSBs) التي تحدث أثناء الانقسام الاختزالي عدد أحداث التبادل الجيني (CO) النهائية بشكل كبير. ففي نبات رشاد أذن الفأر (Arabidopsis thaliana) ، يتم إصلاح حوالي 4% فقط من كسور الحمض النووي المزدوجة عن طريق إعادة التركيب عبر التبادل الجيني ^{[ 20 ]} ، مما يشير إلى أن معظم كسور الحمض النووي المزدوجة يتم إصلاحها عن طريق إعادة التركيب غير المتزامن (NCO). تُظهر البيانات المستندة إلى تحليل الرباعيات من عدة أنواع من الفطريات أن نسبة ضئيلة فقط (حوالي 34% في المتوسط) من أحداث إعادة التركيب أثناء الانقسام الاختزالي هي أحداث تبادل جيني (انظر وايت هاوس ^{[ 21 ]} ، الجدولين 19 و38 للاطلاع على ملخصات البيانات من الخميرة (Saccharomyces cerevisiae) ، وفطر بودوسبورا أنسيرينا (Podospora anserina) ، وفطر سورداريا فيميكولا (Sordaria fimicola) ، وفطر سورداريا بريفيكوليس (Sordaria brevicollis )). وفي ذبابة الفاكهة (Drosophila melanogaster) أثناء الانقسام الاختزالي في الإناث، توجد نسبة لا تقل عن 3:1 بين أحداث التبادل الجيني غير المتزامن وأحداث التبادل الجيني. ^{[ 22 ]} تشير هذه الملاحظات إلى أن غالبية أحداث إعادة التركيب أثناء الانقسام الاختزالي هي NCOs، وتشير إلى أن SDSA هو المسار الرئيسي لإعادة التركيب أثناء الانقسام الاختزالي.