Recombinación homóloga
La recombinación homóloga es un tipo de recombinación genética en la que se intercambia información genética entre dos moléculas similares o idénticas de ácidos nucleicos bicatenarios o monocatenarios (generalmente ADN como en los organismos celulares, pero también puede ser ARN en los virus ). Es ampliamente utilizado por las células para reparar con precisión las roturas dañinas que ocurren en ambas hebras de ADN, conocidas como roturas de doble hebra (DSB), en un proceso llamado reparación recombinacional homóloga (HRR). [1] La recombinación homóloga también produce nuevas combinaciones de secuencias de ADN durante la meiosis , el proceso por el cuallos eucariotas producen células de gametos , como los espermatozoides y los óvulos en los animales. Estas nuevas combinaciones de ADN representan la variación genética en la descendencia, lo que a su vez permite que las poblaciones se adapten durante el curso de la evolución . [2] La recombinación homóloga también se utiliza en la transferencia horizontal de genes para intercambiar material genético entre diferentes cepas y especies de bacterias y virus.
Aunque la recombinación homóloga varía ampliamente entre diferentes organismos y tipos de células, para el ADN bicatenario ( dsDNA ) la mayoría de las formas implican los mismos pasos básicos. Después de que ocurre una rotura de doble hebra, las secciones de ADN alrededor de los extremos 5 ' de la rotura se cortan en un proceso llamado resección . En el paso de invasión de la hebra que sigue, un extremo 3 'que sobresale de la molécula de ADN rota entonces "invade" una molécula de ADN similar o idéntica que no está rota. Después de la invasión de la hebra, la secuencia adicional de eventos puede seguir cualquiera de las dos vías principales que se describen a continuación (ver Modelos); la vía DSBR (reparación de rotura de doble cadena) o la vía SDSA (hibridación de cadena dependiente de síntesis). La recombinación homóloga que ocurre durante la reparación del ADN tiende a dar como resultado productos que no se cruzan, restaurando de hecho la molécula de ADN dañada tal como existía antes de la rotura de la doble hebra.
La recombinación homóloga se conserva en los tres dominios de la vida, así como en los virus de ADN y ARN , lo que sugiere que es un mecanismo biológico casi universal. El descubrimiento de genes para la recombinación homóloga en protistas —un grupo diverso de microorganismos eucariotas— se ha interpretado como evidencia de que la meiosis surgió temprano en la evolución de los eucariotas. Dado que su disfunción se ha asociado fuertemente con una mayor susceptibilidad a varios tipos de cáncer , las proteínas que facilitan la recombinación homóloga son temas de investigación activa. La recombinación homóloga también se utiliza en el direccionamiento de genes., una técnica para introducir cambios genéticos en organismos objetivo. Por su desarrollo de esta técnica, Mario Capecchi , Martin Evans y Oliver Smithies fueron galardonados con el Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2007 ; Capecchi [3] y Smithies [4] descubrieron de forma independiente aplicaciones para células madre embrionarias de ratón, sin embargo, los mecanismos altamente conservados que subyacen al modelo de reparación de DSB, incluida la integración homóloga uniforme de ADN transformado (terapia génica), se mostraron por primera vez en experimentos de plásmidos por Orr- Weaver, Szostack y Rothstein. [5] [6] [7] Investigando el DSB inducido por plásmidos, usando irradiación γ [8]en las décadas de 1970 y 1980, condujo a experimentos posteriores que usaban endonucleasas (por ejemplo, I-SceI) para cortar cromosomas para la ingeniería genética de células de mamíferos, donde la recombinación no homóloga es más frecuente que en la levadura. [9]
Figura 3. La recombinación homóloga repara el ADN antes de que la célula entre en mitosis (fase M). Ocurre solo durante y poco después de la replicación del ADN , durante las fases S y G
2 del ciclo celular .
Figura 4. Modelos de reparación de rotura de doble hebra que actúan mediante recombinación homóloga
Figura 5. Las vías DSBR y SDSA siguen los mismos pasos iniciales, pero divergen a partir de entonces. La vía DSBR con mayor frecuencia da como resultado un cruce cromosómico (abajo a la izquierda), mientras que SDSA siempre termina con productos que no se cruzan (abajo a la derecha).
Figura 6. La recombinación a través de la vía SSA ocurre entre dos elementos repetidos (violeta) en el mismo dúplex de ADN y da como resultado deleciones de material genético. (Haga clic para ver el diagrama animado en los navegadores web Firefox , Chrome , Safari u Opera ).
Figura 7. Estructura cristalina de un filamento de proteína RecA unido a ADN.
[58] Un voladizo de 3 ' es visible a la derecha del centro.
Figura 8A.Modelo molecular para la vía de recombinación RecBCD. Este modelo se basa en reacciones de ADN y RecBCD con ATP en exceso sobre iones Mg2 +. Paso 1: RecBCD se une a un extremo de ADN de doble hebra. Paso 2: RecBCD desenrolla el ADN. RecD es una helicasa rápida en la hebra de extremo 5 ', y RecB es una helicasa más lenta en la hebra de extremo 3' (la que tiene una punta de flecha) [ref. 46 en la versión actual de Wiki]. Esto produce dos colas de ADN monocatenario (ss) y un bucle ss. El bucle y las colas se agrandan a medida que RecBCD se mueve a lo largo del ADN. Paso 3: Las dos colas se templan para producir un segundo bucle de ADN ss, y ambos bucles se mueven y crecen. Paso 4: Al llegar a la secuencia del punto de acceso Chi (5 'GCTGGTGG 3'; punto rojo) RecBCD corta la hebra de extremo 3 '. Desenrollarse más produce una cola ss larga de 3 'con Chi cerca de su final. Paso 5: RecBCD carga la proteína RecA en la cola Chi.En algún punto indeterminado, las subunidades RecBCD se desmontan. Paso 6: El complejo RecA-ssDNA invade un ADN dúplex homólogo intacto para producir un bucle D, que puede resolverse en ADN recombinante intacto de dos formas. Paso 7: El bucle D se corta y se templa con el espacio en el primer ADN para producir una unión de Holliday. La resolución de la unión de Holliday (corte, intercambio de hebras y ligación) en las puntas de flecha abiertas mediante alguna combinación de RuvABC y RecG produce dos recombinantes de tipo recíproco. Paso 8: El extremo 3 'de la cola de Chi prepara la síntesis de ADN, a partir del cual se puede generar una horquilla de replicación. La resolución de la bifurcación en las puntas de flecha abiertas produce un ADN recombinante (no recíproco), un ADN de tipo parental y un fragmento de ADN.El complejo RecA-ssDNA invade un ADN dúplex homólogo intacto para producir un bucle D, que puede resolverse en ADN recombinante intacto de dos formas. Paso 7: El bucle D se corta y se templa con el espacio en el primer ADN para producir una unión de Holliday. La resolución de la unión de Holliday (corte, intercambio de hebras y ligación) en las puntas de flecha abiertas mediante alguna combinación de RuvABC y RecG produce dos recombinantes de tipo recíproco. Paso 8: El extremo 3 'de la cola de Chi prepara la síntesis de ADN, a partir del cual se puede generar una horquilla de replicación. La resolución de la bifurcación en las puntas de flecha abiertas produce un ADN recombinante (no recíproco), un ADN de tipo parental y un fragmento de ADN.El complejo RecA-ssDNA invade un ADN dúplex homólogo intacto para producir un bucle D, que puede resolverse en ADN recombinante intacto de dos formas. Paso 7: El bucle D se corta y se templa con el espacio en el primer ADN para producir una unión de Holliday. La resolución de la unión de Holliday (corte, intercambio de hebras y ligación) en las puntas de flecha abiertas mediante alguna combinación de RuvABC y RecG produce dos recombinantes de tipo recíproco. Paso 8: El extremo 3 'de la cola de Chi prepara la síntesis de ADN, a partir del cual se puede generar una horquilla de replicación. La resolución de la bifurcación en las puntas de flecha abiertas produce un ADN recombinante (no recíproco), un ADN de tipo parental y un fragmento de ADN.El bucle D se corta y se templa con el espacio en el primer ADN para producir una unión de Holliday. La resolución de la unión de Holliday (corte, intercambio de hebras y ligación) en las puntas de flecha abiertas mediante alguna combinación de RuvABC y RecG produce dos recombinantes de tipo recíproco. Paso 8: El extremo 3 'de la cola de Chi prepara la síntesis de ADN, a partir del cual se puede generar una horquilla de replicación. La resolución de la bifurcación en las puntas de flecha abiertas produce un ADN recombinante (no recíproco), un ADN de tipo parental y un fragmento de ADN.El bucle D se corta y se templa con el espacio en el primer ADN para producir una unión de Holliday. La resolución de la unión de Holliday (corte, intercambio de hebras y ligación) en las puntas de flecha abiertas mediante alguna combinación de RuvABC y RecG produce dos recombinantes de tipo recíproco. Paso 8: El extremo 3 'de la cola de Chi prepara la síntesis de ADN, a partir del cual se puede generar una horquilla de replicación. La resolución de la bifurcación en las puntas de flecha abiertas produce un ADN recombinante (no recíproco), un ADN de tipo parental y un fragmento de ADN.a partir del cual se puede generar una bifurcación de replicación. La resolución de la bifurcación en las puntas de flecha abiertas produce un ADN recombinante (no recíproco), un ADN de tipo parental y un fragmento de ADN.a partir del cual se puede generar una bifurcación de replicación. La resolución de la bifurcación en las puntas de flecha abiertas produce un ADN recombinante (no recíproco), un ADN de tipo parental y un fragmento de ADN.
[61] Figura 8B. Inicio de la vía RecBCD. Este modelo se basa en reacciones de ADN y RecBCD con iones Mg
2+ en exceso sobre ATP. Paso 1: RecBCD se une a una rotura de doble hebra de ADN. Paso 2: RecBCD inicia el desenrollamiento del dúplex de ADN a través de la actividad helicasa dependiente de ATP . Paso 3: RecBCD continúa su desenrollado y desciende por el dúplex de ADN, escindiendo la hebra 3 'con mucha más frecuencia que la hebra 5'. Paso 4: RecBCD encuentra una secuencia Chi y deja de digerir la hebra 3 '; la escisión de la hebra 5 'aumenta significativamente. Paso 5: RecBCD carga RecA en la hebra de 3 '. Paso 6: RecBCD se separa del dúplex de ADN, dejando un filamento de nucleoproteína RecA en la cola 3 '.
[62] Representación esquemática de la estructura secundaria del ARN s2m, con interacciones estructurales terciarias indicadas como contactos de largo alcance.
Figura 9. La unión de roturas de doble hebra de un solo extremo podría dar lugar a reordenamientos
Figura 10. Los dominios proteicos en proteínas relacionadas con la recombinación homóloga se conservan en los tres grupos principales de vida: arqueas, bacterias y eucariotas.
Figura 11. Como embrión en desarrollo, a este ratón quimérico se le introdujo el gen del color de la capa de agutí en su ADN mediante la selección de genes. Su descendencia es homocigótica para el gen agouti.
