Cromosómico de cruce , o de cruzar , es el intercambio de material genético durante la reproducción sexual entre dos cromosomas homólogos ' cromátidas no hermanas que los resultados en recombinantes cromosomas . Es una de las fases finales de la recombinación genética , que ocurre en la etapa paquiteno de la profase I de la meiosis durante un proceso llamado sinapsis . La sinapsis comienza antes que el complejo sinaptonemal se desarrolla y no se completa hasta cerca del final de la profase I. El cruce generalmente ocurre cuando las regiones coincidentes en los cromosomas coincidentes se rompen y luego se vuelven a conectar al otro cromosoma.
El cruce se describe, en teoría, por Thomas Hunt Morgan . Se basó en el descubrimiento de Frans Alfons Janssens, quien describió el fenómeno en 1909 y lo llamó "quiasmatypie". [2] El término quiasma está vinculado, si no es idéntico, al cruce cromosómico. Morgan vio de inmediato la gran importancia de la interpretación citológica de los quiasmas de Janssens para los resultados experimentales de su investigación sobre la herencia de Drosophila . La base física del cruce fue demostrada por primera vez por Harriet Creighton y Barbara McClintock en 1931. [3]
La frecuencia vinculada de cruce entre dos loci de genes ( marcadores ) es el valor de cruce . Para un conjunto fijo de condiciones genéticas y ambientales, la recombinación en una región particular de una estructura de enlace ( cromosoma ) tiende a ser constante y lo mismo es cierto para el valor de cruce que se usa en la producción de mapas genéticos . [4] [5]
Orígenes
Existen dos teorías populares y superpuestas que explican los orígenes del cruzamiento, provenientes de las diferentes teorías sobre el origen de la meiosis . La primera teoría se basa en la idea de que la meiosis evolucionó como otro método de reparación del ADN y, por lo tanto, el cruce es una forma novedosa de reemplazar secciones de ADN posiblemente dañadas. [ cita requerida ] La segunda teoría proviene de la idea de que la meiosis evolucionó a partir de la transformación bacteriana , con la función de propagar la diversidad. [6] En 1931, Barbara McClintock descubrió una planta de maíz triploide. Hizo hallazgos clave con respecto al cariotipo del maíz, incluido el tamaño y la forma de los cromosomas. McClintock utilizó las etapas de profase y metafase de la mitosis para describir la morfología de los cromosomas del maíz, y luego mostró la primera demostración citológica de cruzamiento en la meiosis. Trabajando con la estudiante Harriet Creighton, McClintock también hizo contribuciones significativas a la comprensión temprana de la codependencia de genes ligados.
Teoría de la reparación del ADN
El cruce y la reparación del ADN son procesos muy similares, que utilizan muchos de los mismos complejos de proteínas. [7] [8] En su informe, "La importancia de las respuestas del genoma al desafío", McClintock estudió el maíz para mostrar cómo el genoma del maíz cambiaría a sí mismo para superar las amenazas a su supervivencia. Usó 450 plantas autopolinizadas que recibieron de cada padre un cromosoma con un extremo roto. Usó patrones modificados de expresión génica en diferentes sectores de hojas de sus plantas de maíz para mostrar que los elementos transponibles ("elementos de control") se esconden en el genoma y su movilidad les permite alterar la acción de los genes en diferentes loci. Estos elementos también pueden reestructurar el genoma, desde unos pocos nucleótidos hasta segmentos completos del cromosoma. Las recombinasas y las primasas establecen una base de nucleótidos a lo largo de la secuencia de ADN. Uno de esos complejos proteicos particulares que se conserva entre los procesos es RAD51 , una proteína recombinasa bien conservada que se ha demostrado que es crucial en la reparación y el cruce del ADN. [9] Varios otros genes de D. melanogaster también se han relacionado con ambos procesos, al mostrar que los mutantes en estos loci específicos no pueden someterse a reparación o cruzamiento del ADN. Dichos genes incluyen mei-41, mei-9, hdm, spnA y brca2. [ cita requerida ] Este gran grupo de genes conservados entre procesos apoya la teoría de una relación evolutiva cercana. Además, se ha descubierto que la reparación y el cruce del ADN favorecen regiones similares en los cromosomas. En un experimento que utilizó el mapeo de híbridos de radiación en el cromosoma 3B del trigo ( Triticum aestivum L. ), se encontró que el cruce y la reparación del ADN se producían predominantemente en las mismas regiones. [10] Además, se ha correlacionado que el cruce se produzca en respuesta a condiciones estresantes y que probablemente dañen el ADN [11] [12]
Vínculos con la transformación bacteriana
El proceso de transformación bacteriana también comparte muchas similitudes con el cruce cromosómico, particularmente en la formación de proyecciones en los lados de la hebra de ADN rota, lo que permite el apareamiento de una nueva hebra. La transformación bacteriana en sí misma se ha relacionado muchas veces con la reparación del ADN. [ cita requerida ] La segunda teoría proviene de la idea de que la meiosis evolucionó a partir de la transformación bacteriana , con la función de propagar la diversidad genética. [6] . [13] Por lo tanto, esta evidencia sugiere que es una cuestión de si el cruzamiento está relacionado con la reparación del ADN o la transformación bacteriana, ya que los dos no parecen ser mutuamente excluyentes. Es probable que el cruzamiento haya evolucionado a partir de la transformación bacteriana, que a su vez se desarrolló a partir de la reparación del ADN, lo que explica los vínculos entre los tres procesos.
Química
La recombinación meiótica puede iniciarse mediante rupturas de doble hebra que se introducen en el ADN mediante la exposición a agentes que dañan el ADN, [ cita requerida ] o la proteína Spo11 . [14] Una o más exonucleasas luego digieren los extremos 5 ' generados por las roturas bicatenarias para producir colas de ADN monocatenario 3' (ver diagrama). La recombinasa específica de meiosis Dmc1 y la recombinasa general Rad51 recubren el ADN monocatenario para formar filamentos de nucleoproteínas. [15] Las recombinasas catalizan la invasión de la cromátida opuesta por el ADN monocatenario de un extremo de la ruptura. A continuación, el extremo 3 'del ADN invasor ceba la síntesis de ADN, lo que provoca el desplazamiento de la hebra complementaria, que posteriormente se hibrida con el ADN monocatenario generado a partir del otro extremo de la ruptura bicatenaria inicial. La estructura resultante es un intercambio entre cadenas , también conocido como cruce de Holliday . El contacto entre dos cromátidas que pronto se cruzarán se conoce como quiasma . La unión de Holliday es una estructura tetraédrica que puede ser "tirada" por otras recombinasas, moviéndola a lo largo de la estructura de cuatro hebras.
Cruce de Holliday
Estructura molecular de una unión de Holliday.
Estructura molecular de una unión de Holliday. Desde PDB : 3CRX .
MSH4 y MSH5
Las proteínas MSH4 y MSH5 forman una estructura heterooligomérica ( heterodímero ) en levaduras y seres humanos. [16] [17] [18] En la levadura Saccharomyces cerevisiae, MSH4 y MSH5 actúan específicamente para facilitar los cruces entre cromosomas homólogos durante la meiosis . [16] El complejo MSH4 / MSH5 se une y estabiliza las uniones dobles Holliday y promueve su resolución en productos cruzados. Un MSH4 hypomorphic (parcialmente funcional) mutante de S. cerevisiae mostró una amplia reducción del genoma 30% en el número de cruce, y un gran número de meiosis con cromosomas intercambio no. [19] Sin embargo, este mutante dio lugar a patrones de viabilidad de esporas , lo que sugiere que la segregación de cromosomas sin intercambio se produjo de manera eficiente. Por tanto, en S. cerevisiae, la segregación adecuada aparentemente no depende por completo de los cruces entre pares homólogos .
Quiasma
El saltamontes Melanoplus fémur-rubrum se expuso a una dosis aguda de rayos X durante cada etapa individual de la meiosis y se midió la frecuencia del quiasma . [20] Se descubrió que la irradiación durante las etapas leptoteno - cigoteno de la meiosis (es decir, antes del período de paquiteno en el que ocurre la recombinación cruzada) aumenta la frecuencia del quiasma posterior. De manera similar, en el saltamontes Chorthippus brunneus , la exposición a la irradiación X durante las etapas tempranas de cigoteno y paquiteno provocó un aumento significativo en la frecuencia media del quiasma celular. [21] La frecuencia del quiasma se puntuó en las últimas etapas de la meiosis de diploteno-diaquinesis . Estos resultados sugieren que los rayos X inducen daños en el ADN que son reparados por una vía cruzada que conduce a la formación de quiasmas.
Consecuencias
En la mayoría de los eucariotas , una célula lleva dos versiones de cada gen , cada una de las cuales se denomina alelo . Cada padre transmite un alelo a cada descendencia. Un gameto individual hereda un complemento haploide completo de alelos en los cromosomas que se seleccionan independientemente de cada par de cromátidas alineadas en la placa de metafase. Sin la recombinación, todos los alelos de los genes unidos en el mismo cromosoma se heredarían juntos. La recombinación meiótica permite una segregación más independiente entre los dos alelos que ocupan las posiciones de genes individuales, ya que la recombinación baraja el contenido de alelos entre cromosomas homólogos.
La recombinación da como resultado una nueva disposición de los alelos maternos y paternos en el mismo cromosoma. Aunque los mismos genes aparecen en el mismo orden, algunos alelos son diferentes. De esta manera, es teóricamente posible tener cualquier combinación de alelos parentales en una descendencia, y el hecho de que dos alelos aparezcan juntos en una descendencia no tiene ninguna influencia en la probabilidad estadística de que otra descendencia tenga la misma combinación. Este principio de " surtido independiente " de genes es fundamental para la herencia genética. [22] Sin embargo, la frecuencia de recombinación no es la misma para todas las combinaciones de genes. Esto conduce a la noción de " distancia genética ", que es una medida de la frecuencia de recombinación promediada sobre una muestra (adecuadamente grande) de genealogías. Hablando libremente, se puede decir que esto se debe a que la recombinación está muy influenciada por la proximidad de un gen a otro. Si dos genes están ubicados muy juntos en un cromosoma, la probabilidad de que un evento de recombinación separe estos dos genes es menor que si estuvieran más separados. El enlace genético describe la tendencia de los genes a heredarse juntos como resultado de su ubicación en el mismo cromosoma. El desequilibrio de ligamiento describe una situación en la que algunas combinaciones de genes o marcadores genéticos ocurren con más o menos frecuencia en una población de lo que cabría esperar de sus distancias. Este concepto se aplica cuando se busca un gen que pueda causar una enfermedad en particular . Esto se hace comparando la aparición de una secuencia de ADN específica con la aparición de una enfermedad. Cuando se encuentra una alta correlación entre los dos, es probable que la secuencia de genes apropiada esté realmente más cerca. [23]
Cruce no homólogo
Los cruces ocurren típicamente entre regiones homólogas de cromosomas coincidentes , pero las similitudes en la secuencia y otros factores pueden resultar en alineaciones no coincidentes. La mayor parte del ADN se compone de secuencias de pares de bases repetidas un gran número de veces. [24] Estos segmentos repetitivos, a menudo denominados satélites, son bastante homogéneos entre una especie. [24] Durante la replicación del ADN , cada hebra de ADN se utiliza como plantilla para la creación de nuevas hebras mediante un mecanismo parcialmente conservado; El funcionamiento adecuado de este proceso da como resultado dos cromosomas pareados idénticos, a menudo llamados hermanas. Se sabe que los eventos de cruce de cromátidas hermanas ocurren a una velocidad de varios eventos de cruce por célula por división en eucariotas. [24] La mayoría de estos eventos involucran un intercambio de cantidades iguales de información genética, pero pueden ocurrir intercambios desiguales debido al desajuste de secuencias. Estos se denominan mediante una variedad de nombres, incluido el cruce no homólogo, el cruce desigual y la recombinación desequilibrada, y dan como resultado una inserción o eliminación de información genética en el cromosoma. Si bien son raras en comparación con los eventos de cruce homólogos, estas mutaciones son drásticas y afectan a muchos loci al mismo tiempo. Se les considera el principal impulsor de la generación de duplicaciones de genes y son una fuente general de mutación dentro del genoma . [25]
Se desconocen las causas específicas de los eventos cruzados no homólogos, pero se sabe que varios factores influyentes aumentan la probabilidad de un cruce desigual. Un vector común que conduce a una recombinación desequilibrada es la reparación de roturas de doble hebra (DSB). [26] Los DSB a menudo se reparan mediante la reparación dirigida por homología, un proceso que implica la invasión de una hebra molde por la hebra DSB (ver figura a continuación). Las regiones homólogas cercanas de la hebra molde se usan a menudo para la reparación, lo que puede dar lugar a inserciones o deleciones en el genoma si se usa una parte no homóloga pero complementaria de la hebra molde. [26] La similitud de secuencia es un factor importante en el cruce: es más probable que ocurran eventos de cruce en regiones largas de identidad cercana en un gen. [27] Esto significa que cualquier sección del genoma con secciones largas de ADN repetitivo es propensa a eventos cruzados.
La presencia de elementos transponibles es otro elemento influyente del cruce no homólogo. Las regiones repetitivas de código caracterizan los elementos transponibles; las regiones complementarias pero no homólogas son ubicuas dentro de los transposones. Debido a que las regiones cromosómicas compuestas de transposones tienen grandes cantidades de código repetitivo idéntico en un espacio condensado, se cree que las regiones de transposones que experimentan un evento de cruce son más propensas a emparejamientos complementarios erróneos; [28] es decir, una sección de un cromosoma que contiene muchas secuencias idénticas, si se somete a un evento de cruce, es menos seguro que coincida con una sección perfectamente homóloga de código complementario y más propensa a unirse con una sección de codificar en una parte ligeramente diferente del cromosoma. Esto da como resultado una recombinación desequilibrada, ya que la información genética puede insertarse o eliminarse en el nuevo cromosoma, dependiendo de dónde ocurrió la recombinación.
Si bien los factores motivadores detrás de la recombinación desigual siguen siendo oscuros, se han dilucidado elementos del mecanismo físico. Las proteínas de reparación de desajustes (MMR), por ejemplo, son una familia reguladora bien conocida de proteínas, responsables de regular las secuencias de ADN desacopladas durante la replicación y la regulación de escape. [29] El objetivo operativo de los MMR es la restauración del genotipo parental. Se sabe que una clase de MMR en particular, MutSβ, inicia la corrección de desajustes de inserción-deleción de hasta 16 nucleótidos. [29] Poco se sabe sobre el proceso de escisión en eucariotas, pero las escisiones de E. coli implican la escisión de una muesca en la hebra 5 'o 3', después de lo cual la ADN helicasa y la ADN polimerasa III se unen y generan proteínas monocatenarias. que son digeridos por exonucleasas y unidos a la hebra por ligasa . [29] Se han implicado múltiples vías de MMR en el mantenimiento de la estabilidad del genoma de organismos complejos, y cualquiera de las muchas posibles disfunciones en la vía de MMR da como resultado errores de corrección y edición del ADN. [30] Por lo tanto, aunque no se sabe con certeza qué mecanismos conducen a errores de cruzamiento no homólogo, es muy probable que la vía de la MMR esté involucrada.
Ver también
- Cruce desigual
- Coeficiente de coincidencia
- Distancia genética
- Distribución independiente
- Cruce mitótico
- Frecuencia recombinante
Referencias
- ^ Griffiths, AJF; Gelbart, WM; Miller, JH; et al. (1999). "Análisis genético moderno: cruce mitótico" . Nueva York: WH Freeman.
- ^ Janssens, FA; Koszul, Romain; Zickler, Denise (junio de 2012). "La Theorie de la Chiasmatypie" . Genética . 191 (2): 319–346. doi : 10.1534 / genetics.112.139725 . ISSN 0016-6731 . PMC 3374304 . PMID 22701051 .
- ^ Creighton H, McClintock B (1931). "Una correlación de cruce citológico y genético en Zea Mays" . Proc Natl Acad Sci USA . 17 (8): 492–7. doi : 10.1073 / pnas.17.8.492 . PMC 1076098 . PMID 16587654 . (Papel original)
- ^ Rieger R. Michaelis A., Green MM (1976). Glosario de genética y citogenética: clásica y molecular . Heidelberg - Nueva York: Springer-Verlag. ISBN 978-3-540-07668-1.Mantenimiento de CS1: utiliza el parámetro de autores ( enlace )
- ^ King RC, Stransfield WD (1998): Diccionario de genética. Oxford University Press, Nueva York, Oxford, ISBN 0-19-50944-1-7 ; ISBN 0-19-509442-5 .
- ^ a b Bernstein, H; Bernstein, C (2010). "Origen evolutivo de la recombinación durante la meiosis". BioScience . 60 (7): 498–505. doi : 10.1525 / bio.2010.60.7.5 . S2CID 86663600 .
- ^ Dangel, Nueva Jersey; Knoll, A; Puchta, H (2014). "MHF1 desempeña funciones dependientes de la proteína M del grupo de complementación de la anemia de Fanconi (FANCM) e independientes de FANCM en la reparación del ADN y la recombinación homóloga en plantas" . Plant J . 78 (5): 822–33. doi : 10.1111 / tpj.12507 . PMID 24635147 .
- ^ Saponaro, M; Callahan, D; Zheng, X; Liberi, G (2010). "Cdk1 apunta a Srs2 para completar el recocido de hebra dependiente de síntesis y promover la reparación recombinacional" . PLOS Genet . 6 (2): e1000858. doi : 10.1371 / journal.pgen.1000858 . PMC 2829061 . PMID 20195513 .
- ^ Esposito, M (septiembre de 1978). "Evidencia de que se produce una recombinación mitótica espontánea en la etapa de dos hebras" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de EE . UU . 75 (9): 4436–4440. doi : 10.1073 / pnas.75.9.4436 . PMC 336130 . PMID 360220 .
- ^ Kumar, A; Bassi, F; Paux, E (2012). "La reparación y el cruce del ADN favorecen regiones cromosómicas similares a las descubiertas en el híbrido de radiación de Triticum" . BMC Genomics . 13 (339): 339. doi : 10.1186 / 1471-2164-13-339 . PMC 3443642 . PMID 22827734 .
- ^ Steinboeck, F (2010). "La relevancia del estrés oxidativo y las lesiones del ADN citotóxico para la mutagénesis espontánea en células de levadura no replicantes". Mutat Res . 688 (1–2): 47–52. doi : 10.1016 / j.mrfmmm.2010.03.006 . PMID 20223252 .
- ^ Nedelcu, M; Marcu, O; Michod, RE (2004). "El sexo como respuesta al estrés oxidativo: un doble aumento de las especies de oxígeno reactivo celular activa los genes sexuales" . Proc. R. Soc. B . 271 (1548): 1591-1596. doi : 10.1098 / rspb.2004.2747 . PMC 1691771 . PMID 15306305 .
- ^ Charpentier, X (2010). "Los antibióticos y la radiación UV inducen la competencia para la transformación natural en Legionella pneumophila" . Revista de bacteriología . 193 (5): 1114-1121. doi : 10.1128 / JB.01146-10 . PMC 3067580 . PMID 21169481 .
- ^ Keeney, S; Giroux, CN; Kleckner, N. (1997). "Las roturas de doble hebra de ADN específicas de la meiosis son catalizadas por Spo11, un miembro de una familia de proteínas ampliamente conservada". Celular . 88 (3): 375–84. doi : 10.1016 / S0092-8674 (00) 81876-0 . PMID 9039264 . S2CID 8294596 .
- ^ Sauvageau, S; Stasiak, Az; Banville, yo; Ploquin, M; Stasiak, A; Masson, Jy (junio de 2005). "Levadura de fisión Rad51 y Dmc1, dos recombinasas de ADN eficientes que forman filamentos de nucleoproteínas helicoidales" . Biología Molecular y Celular . 25 (11): 4377–87. doi : 10.1128 / MCB.25.11.4377-4387.2005 . ISSN 0270-7306 . PMC 1140613 . PMID 15899844 .
- ^ a b Pochart P, Woltering D, Hollingsworth NM (1997). "Propiedades conservadas entre homólogos de MutS funcionalmente distintos en levadura" . J. Biol. Chem . 272 (48): 30345–9. doi : 10.1074 / jbc.272.48.30345 . PMID 9374523 .
- ^ Winand NJ, Panzer JA, Kolodner RD (1998). "Clonación y caracterización de los homólogos humanos y Caenorhabditis elegans del gen MSH5 de Saccharomyces cerevisiae". Genómica . 53 (1): 69–80. doi : 10.1006 / geno.1998.5447 . PMID 9787078 .
- ^ Bocker T, Barusevicius A, Snowden T, Rasio D, Guerrette S, Robbins D, Schmidt C, Burczak J, Croce CM, Copeland T, Kovatich AJ, Fishel R (1999). "hMSH5: un homólogo de MutS humano que forma un heterodímero novedoso con hMSH4 y se expresa durante la espermatogénesis". Cancer Res . 59 (4): 816-22. PMID 10029069 .
- ^ Krishnaprasad GN, Anand MT, Lin G, Tekkedil MM, Steinmetz LM, Nishant KT (2015). "La variación en las frecuencias de cruce perturban la garantía de cruce sin afectar la segregación cromosómica meiótica en Saccharomyces cerevisiae" . Genética . 199 (2): 399–412. doi : 10.1534 / genetics.114.172320 . PMC 4317650 . PMID 25467183 .
- ^ Church K, Wimber DE (1969). "Meiosis en el saltamontes: frecuencia de quiasmas después de temperatura elevada y rayos X". Lata. J. Genet. Cytol . 11 (1): 209–16. doi : 10.1139 / g69-025 . PMID 5797806 .
- ^ Westerman M (1971). "El efecto de la irradiación x sobre la frecuencia del quiasma en Chorthippus brunneus" . Herencia . 27 (1): 83–91. doi : 10.1038 / hdy.1971.73 . PMID 5289295 .
- ^ "recombinación genética" .
- ^ Recombinación genética
- ^ a b c Smith, George P. (1 de enero de 1976). "Evolución de secuencias de ADN repetidas por cruce desigual". Ciencia . 191 (4227): 528–535. doi : 10.1126 / science.1251186 . JSTOR 1741301 . PMID 1251186 .
- ^ Graur, Dan; Li, Wen-Hsiung (1 de enero de 2000). Fundamentos de la evolución molecular . Sinauer. ISBN 9780878932665.
- ^ a b Puchta, Holger (1 de enero de 2005). "La reparación de roturas de doble hebra en plantas: mecanismos y consecuencias para la evolución del genoma" . Revista de botánica experimental . 56 (409): 1–14. doi : 10.1093 / jxb / eri025 . ISSN 0022-0957 . PMID 15557293 .
- ^ Metzenberg, Ab; et al. (Mayo de 1991). "Requisitos de homología para el cruce desigual en humanos" . Genética . 128 (1): 143-161. PMC 1204444 . PMID 2060774 .
- ^ Robberecht, Caroline; Voet, Thierry; Esteki, Masoud Zamani; Nowakowska, Beata A .; Vermeesch, Joris R. (3 de diciembre de 2012). "La recombinación homóloga no alélica entre elementos retrotransponibles es un impulsor de translocaciones desequilibradas de novo" . Investigación del genoma . 23 (3): 411–418. doi : 10.1101 / gr.145631.112 . ISSN 1088-9051 . PMC 3589530 . PMID 23212949 .
- ^ a b c Kunkel, Thomas A .; Erie, Dorothy A. (1 de enero de 2005). "Reparación de desajuste de ADN" . Revisión anual de bioquímica . 74 (1): 681–710. doi : 10.1146 / annurev.biochem.74.082803.133243 . PMID 15952900 .
- ^ Surtees, JA, JA; Argueso, JL; Alani, E. (2004). "Proteínas de reparación de desajustes: reguladores clave de la recombinación genética". Investigación citogenética y genómica . 107 (3–4): 146–59. doi : 10.1159 / 000080593 . PMID 15467360 . S2CID 19219813 .