RECOMBINAISON HOMOLOGUE: FONCTIONS, MÉCANISME ET APPLICATIONS - LA BIOLOGIE - 2025

La recombinaison homologue est un processus qui implique l'échange de molécules d'ADN entre des sections similaires ou identiques du génome. Les cellules utilisent la recombinaison homologue principalement pour réparer les ruptures du matériel génétique, générant une variation génétique dans les populations.

En général, la recombinaison homologue implique l'appariement physique entre les zones homologues du matériel génétique, suivi de la rupture des chaînes qui vont subir l'échange, et enfin l'union des nouvelles molécules d'ADN combinées.

Recombinaison entre deux chromosomes homologues.

Source: Emw

Les ruptures d'ADN doivent être réparées aussi rapidement et efficacement que possible. Lorsque les dommages ne sont pas réparés, les conséquences peuvent être graves et même mortelles. Chez les bactéries, la fonction principale de la recombinaison homologue est de réparer ces ruptures du matériel génétique.

La recombinaison homologue est considérée comme l'un des principaux mécanismes permettant la stabilité du génome. Elle est présente dans tous les domaines de la vie et même dans les virus, c'est donc vraisemblablement un mécanisme vital qui est apparu très tôt dans l'évolution de la vie.

Perspective historique

L'un des principes les plus pertinents proposés par Gregor Mendel consiste en l'indépendance dans la ségrégation des personnages. Selon cette loi, les différents gènes sont transmis de parent à enfant indépendamment.

Cependant, en 1900, l'existence d'exceptions très marquées à ce principe était évidente. Les généticiens anglais Bateson et Punnett ont montré que plusieurs fois certains traits sont hérités ensemble, et pour ces traits le principe énoncé par Mendel n'a aucune validité.

Des recherches ultérieures ont réussi à élucider l'existence du processus de recombinaison, où les cellules étaient capables d'échanger du matériel génétique. Dans les cas où les gènes ont hérité ensemble, l'ADN n'a pas été échangé en raison de la proximité physique entre les gènes.

Qu'est-ce que la recombinaison homologue?

La recombinaison homologue est un phénomène cellulaire qui implique l'échange physique de séquences d'ADN entre deux chromosomes. La recombinaison implique un ensemble de gènes appelés gènes rec. Ceux-ci codent pour différentes enzymes qui participent au processus.

Les molécules d'ADN sont considérées comme «homologues» lorsqu'elles partagent des séquences similaires ou identiques de plus de 100 paires de bases. L'ADN a de petites régions qui peuvent différer les unes des autres, et ces variantes sont appelées allèles.

Chez les êtres vivants, tout ADN est considéré comme de l'ADN recombinant. L'échange de matériel génétique entre les chromosomes se produit en continu, mélangeant et réorganisant les gènes sur les chromosomes.

Ce processus se produit évidemment dans la méiose. Plus précisément dans la phase où les chromosomes s'apparient lors de la première division cellulaire. À ce stade, l'échange de matériel génétique entre les chromosomes se produit.

Historiquement, ce processus est désigné dans la littérature en utilisant le mot anglo-saxon croisement. Cet événement est l'un des résultats de la recombinaison homologue.

La fréquence de croisement entre deux gènes d'un même chromosome dépend principalement de la distance qui existe entre eux; plus la distance physique entre eux est petite, plus la fréquence d'échange est faible.

Fonctions et conséquences de la recombinaison homologue

Le matériel génétique est constamment exposé à des dommages, causés par des sources endogènes et exogènes, telles que les rayonnements, par exemple.

On estime que les cellules humaines présentent un nombre important de lésions d'ADN, de l'ordre de dizaines à centaines par jour. Ces lésions doivent être réparées pour éviter d'éventuelles mutations délétères, des blocages de réplication et de transcription et des dommages au niveau chromosomique.

D'un point de vue médical, les dommages à l'ADN qui ne sont pas réparés correctement entraînent le développement de tumeurs et d'autres pathologies.

La recombinaison homologue est un événement qui permet la réparation de l'ADN, permettant la récupération des séquences perdues, en utilisant l'autre brin (homologue) d'ADN comme matrice.

Ce processus métabolique est présent dans toutes les formes de vie, fournissant un mécanisme de haute fidélité qui permet de réparer les «lacunes» dans l'ADN, les cassures double brin et les liaisons croisées entre les brins d'ADN.

L'une des conséquences les plus importantes de la recombinaison est la génération d'une nouvelle variation génétique. Avec les mutations, ce sont les deux processus qui génèrent des variations chez les êtres vivants - rappelez-vous que la variation est la matière première de l'évolution.

En outre, il fournit un mécanisme pour réinitialiser les fourches de réplication qui ont été corrompues.

Dans les bactéries

Chez les bactéries, les événements de transfert horizontal de gènes sont fréquents. Ceux-ci sont classés comme conjugaison, transformation et transduction. Ici, les procaryotes prennent l'ADN d'un autre organisme, et même d'espèces différentes.

Au cours de ces processus, une recombinaison homologue se produit entre la cellule receveuse et la cellule donneuse.

Mécanisme

La recombinaison homologue commence par la rupture de l'un des brins de la molécule d'ADN chromosomique. Suite à cela, une série d'étapes catalysées par plusieurs enzymes se produisent.

L'extrémité 3 'où se produit la coupure est envahie par le double brin homologue d'ADN. Le processus d'invasion est crucial. Par «chaîne homologue», nous entendons les parties des chromosomes qui ont les mêmes gènes dans un ordre linéaire, bien que les séquences nucléotidiques n'aient pas à être identiques.

Synapse

Cette invasion du brin place des chromosomes homologues face à face. Ce phénomène de rencontre des fils s'appelle synapse (à ne pas confondre avec la synapse dans les neurones, ici le terme est utilisé avec un autre sens).

La synapse n'implique pas nécessairement un contact direct entre les deux séquences homologues, l'ADN peut continuer à bouger pendant un certain temps jusqu'à ce qu'il trouve la partie homologue. Ce processus de recherche est appelé alignement homologue.

Formation en boucle en D

Ensuite, un événement appelé "invasion de brins" se produit. Un chromosome est une double hélice d'ADN. Dans la recombinaison homologue, deux chromosomes recherchent leurs séquences homologues. Dans l'une des hélices, les brins se séparent et ce brin «envahit» la structure à double hélice, formant la structure appelée boucle en D.

Le brin de la boucle D a été déplacé par l'invasion du brin de rupture et s'apparie avec le brin complémentaire de la double hélice d'origine.

Formation de Holliday Junction

La prochaine étape est la formation des syndicats Holliday. Ici, les extrémités des brins échangés sont liées ensemble. Ce syndicat a la capacité d'aller dans n'importe quelle direction. Le joint peut se casser et se former plusieurs fois.

Le processus final de recombinaison est la résolution de ces unions et la cellule y parvient de deux manières. L'un d'eux est le clivage de l'union ou par un processus appelé dissolution, typique des organismes eucaryotes.

Dans le premier mécanisme, la rupture de la jonction Holliday régénère deux chaînes. Dans l'autre événement de «dissolution», une sorte d'effondrement se produit dans le syndicat.

Protéines impliquées

Une protéine cruciale dans le processus de recombinaison est appelée Rad51 dans les cellules eucaryotes et RecA dans Escherichia coli. Il fonctionne dans les différentes phases de recombinaison: avant, pendant et après la synapse.

La protéine Rad51 facilite la formation de la connexion physique entre l'ADN envahissant et l'ADN tempéré. Dans ce processus, l'ADN hétéroduplex est généré.

Rad51, et son homologue RecA, catalysent la recherche d'ADN homologue et l'échange de brins d'ADN. Ces protéines ont la capacité de se lier de manière coopérative à l'ADN à bande unique.

Il existe également des gènes paralogues (issus d'événements de duplication de gènes dans une lignée d'organismes) de Rad51, appelés Rad55 et Rad57. Chez les humains, cinq gènes paralogues Rad51 ont été identifiés appelés Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 et Xrcc3.

Anomalies associées aux processus de recombinaison

Étant donné que la recombinaison nécessite une liaison physique sur les chromosomes, il s'agit d'une étape cruciale pour une ségrégation appropriée pendant la méiose. Si une recombinaison appropriée ne se produit pas, le résultat peut être une pathologie majeure.

La non-disjonction des chromosomes ou les erreurs de ségrégation sont l'une des causes les plus fréquentes de fausses couches et d'anomalies d'origine chromosomique, comme la trisomie du chromosome 21, qui provoque le syndrome de Down.

Bien que la recombinaison soit généralement un processus assez précis, les régions du génome qui sont répétées et les gènes qui ont plusieurs copies dans tout le génome sont sujettes à des croisements inégaux.

Ce métissage produit différents traits cliniquement pertinents, y compris des maladies courantes telles que la thalassémie et l'autisme.

Applications de recombinaison

Les biologistes moléculaires ont profité de la connaissance du mécanisme de la recombinaison homologue pour créer différentes technologies. L'un d'eux permet la création d'organismes "knock-out".

Ces organismes génétiquement modifiés permettent d'élucider la fonction d'un gène d'intérêt.

L'une des méthodologies utilisées pour la création de knock-out consiste en la suppression de l'expression du gène spécifique, en remplaçant le gène d'origine par une version modifiée ou "endommagée". Le gène est échangé contre la version mutée au moyen d'une recombinaison homologue.

Autres types de recombinaison

Outre la recombinaison homologue ou légitime, il existe d'autres types d'échange de matériel génétique.

Lorsque les régions d'ADN qui échangent du matériel ne sont pas alléliques (chromosomes homologues), le résultat est une duplication ou une réduction des gènes. Ce processus est connu sous le nom de recombinaison non homologue ou de recombinaison inégale.

Ensemble, le matériel génétique peut également être échangé entre des chromatides soeurs sur le même chromosome. Ce processus se produit à la fois dans la division méiotique et mitotique et est appelé échange inégal.

Références

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