La hibridación de cadena dependiente de síntesis ( SDSA ) es un mecanismo importante de reparación dirigida por homología de roturas de doble cadena de ADN (DSB). Aunque muchas de las características de la SDSA se sugirieron por primera vez en 1976, [1] el modelo de unión doble Holliday propuesto en 1983 [2] fue favorecido por muchos investigadores. En 1994, se descubrió que los estudios de reparación de brechas de doble cadena en Drosophila eran incompatibles con el modelo de unión doble Holliday, lo que llevó a los investigadores a proponer un modelo al que llamaron hibridación de cadena dependiente de síntesis. [3] Estudios posteriores de recombinación meiótica en S. cerevisiae descubrieron que los productos no cruzados aparecen antes que las uniones dobles Holliday o los productos cruzados, lo que desafía la noción previa de que tanto los productos cruzados como los no cruzados son producidos por uniones dobles Holliday y lleva a los autores a proponer que los productos no cruzados se generan a través de la SDSA. [4]
En la Figura adjunta, el primer paso denominado “resección 5' a 3'” muestra la formación de una cadena de ADN simple con terminación 3' que en el siguiente paso invade un dúplex de ADN homólogo. Se informa que la ARN polimerasa III cataliza la formación de un híbrido transitorio de ARN-ADN en las roturas de doble cadena como un paso intermedio esencial en la reparación de las roturas por recombinación homóloga. [5] La formación del híbrido de ARN-ADN protegería al ADN monocatenario invasor de la degradación. Después de que se forma el intermediario híbrido transitorio de ARN-ADN, la cadena de ARN se reemplaza por la proteína Rad51 que cataliza la etapa posterior de invasión de la cadena.
En el modelo SDSA, la reparación de las roturas de doble cadena se produce sin la formación de una doble unión Holliday, de modo que los dos procesos de recombinación homóloga son idénticos hasta justo después de la formación del bucle D. [6] En la levadura, el bucle D se forma por invasión de la cadena con la ayuda de las proteínas Rad51 y Rad52 , [7] y luego la ADN helicasa Srs2 actúa sobre él para evitar la formación de la doble unión Holliday para que se produzca la vía SDSA. [8] La cadena 3' invasora se extiende así a lo largo del dúplex de ADN homólogo receptor por la ADN polimerasa en la dirección 5' a 3', de modo que el bucle D se transloca físicamente, un proceso conocido como síntesis de ADN por migración de burbujas. [9] La unión Holliday simple resultante se desliza entonces por el dúplex de ADN en la misma dirección en un proceso llamado migración de ramas , desplazando la cadena extendida de la cadena molde. Esta hebra desplazada se levanta para formar un saliente 3' en el dúplex de rotura de doble cadena original, que luego puede anexarse al extremo opuesto de la rotura original a través del apareamiento de bases complementarias . De este modo, la síntesis de ADN llena los huecos que quedan del anexado y extiende ambos extremos de la rotura de ADN monocatenario aún presente, ligando todos los huecos restantes para producir ADN recombinante sin cruce. [10]
La SDSA es única en el sentido de que la translocación del bucle D da como resultado una replicación conservadora en lugar de semiconservativa , ya que la primera hebra extendida se desplaza de su hebra molde , dejando intacto el dúplex homólogo. Por lo tanto, aunque la SDSA produce productos que no se cruzan porque los marcadores flanqueantes del ADN heterodúplex no se intercambian, puede ocurrir una conversión génica , en la que se produce una transferencia genética no recíproca entre dos secuencias homólogas. [11]
El ensamblaje de un filamento de nucleoproteína que comprende ADN monocatenario (ssDNA) y el homólogo de RecA , Rad51 , es un paso clave necesario para la búsqueda de homología durante la recombinación . En la levadura en ciernes Saccharomyces cerevisiae , la translocasa Srs2 desmantela los filamentos de Rad51 durante la meiosis . [12] Al interactuar directamente con Rad51, Srs2 desaloja Rad51 de los filamentos de nucleoproteína, inhibiendo así la formación dependiente de Rad51 de moléculas de unión y estructuras de bucle D. Esta actividad de desmantelamiento es específica para Rad51 ya que Srs2 no desmantela DMC1 (un homólogo de Rad51 específico de la meiosis), Rad52 (un mediador de Rad 51) o la proteína de replicación A ( RPA , una proteína de unión al ADN monocatenario). Srs2 promueve la vía SDSA sin cruce, aparentemente regulando la unión de RAD51 durante el intercambio de hebras. [13]
La divergencia entre SDSA y la unión doble de Holliday ocurre cuando el bucle D se desmonta para permitir que la hebra naciente se asocie al otro extremo resecado del DSB (en el modelo de unión doble de Holliday, la hebra desplazada por la extensión del bucle D se asocie al otro extremo del DSB en "captura del segundo extremo"). La investigación en Drosophila melanogaster identificó la helicasa del síndrome de Bloom (Blm) como la enzima que promueve el desmontaje del bucle D. [14] [15] [16] De manera similar, S. cerevisiae Sgs1, un ortólogo de BLM, parece ser un regulador central de la mayoría de los eventos de recombinación que ocurren durante la meiosis de S. cerevisiae . [17] Sgs1(BLM) puede desensamblar estructuras de bucle D análogas a los intermediarios de invasión de hebra temprana y, por lo tanto, promover la formación de NCO por SDSA. [17] La helicasa Sgs1 forma un complejo conservado con el heterodímero topoisomerasa III ( Top3 ) -RMI1 (que cataliza el paso de una sola cadena de ADN). Este complejo, llamado STR (por sus tres componentes), promueve la formación temprana de recombinantes NCO por SDSA durante la meiosis. [18]
Según lo revisado por Uringa et al. [19], se propone que la helicasa RTEL1 regula la recombinación durante la meiosis en el gusano Caenorhabditis elegans . RTEL1 es una proteína clave en la reparación de DSB. Altera los bucles D y se cree que promueve los resultados de NCO a través de SDSA.
El número de DSB creados durante la meiosis puede exceder sustancialmente el número de eventos CO finales. En la planta Arabidopsis thaliana , solo alrededor del 4% de los DSB son reparados por recombinación CO, [20] lo que sugiere que la mayoría de los DSB son reparados por recombinación NCO. Los datos basados en el análisis de tétradas de varias especies de hongos muestran que solo una minoría (en promedio alrededor del 34%) de los eventos de recombinación durante la meiosis son CO (ver Whitehouse, [21] Tablas 19 y 38 para resúmenes de datos de S. cerevisiae , Podospora anserina , Sordaria fimicola y Sordaria brevicollis ). En la mosca de la fruta D. melanogaster durante la meiosis en hembras hay al menos una proporción de 3:1 de NCO a CO. [22] Estas observaciones indican que la mayoría de los eventos de recombinación durante la meiosis son NCO y sugieren que SDSA es la vía principal para la recombinación durante la meiosis.