Recombinación homóloga

La recombinación homóloga se utiliza también en "gene targeting", una técnica para la introducción de cambios genéticos en organismos objetivo.

[17]​ La recombinación homóloga (RH) es esencial para la división celular en eucariotas como plantas, animales, hongos y protistas.

En las células que se dividen a través de la mitosis, la recombinación homóloga repara las rupturas de la doble cadena en el ADN causadas por la radiación ionizante o productos químicos que dañan el ADN.

[19]​ Si no se reparan, estas rupturas de doble cadena pueden causar una reorganización a gran escala de los cromosomas en las células somáticas,[20]​ que se puede convertir en cáncer.

[21]​ Además de la reparación del ADN, la recombinación homóloga también ayuda a producir diversidad genética cuando las células se dividen en la meiosis para convertirse en gametos: huevo o esperma en animales, polen u óvulos en las plantas, y las esporas en hongos.

[22]​[23]​ Esto crea nuevas combinaciones, posiblemente beneficiosas de genes, que pueden dar a la descendencia una ventaja evolutiva.

[24]​ El entrecruzamiento cromosómico comienza cuando una proteína llamada Spo11 hace una ruptura en la doble cadena específica en el ADN.

[25]​ Estos sitios están ubicados de forma no aleatoria en los cromosomas; por lo general en regiones promotoras intergénicas y preferentemente en dominios ricos en GC.

La recombinación homóloga repara el ADN antes de que la célula entra en mitosis (fase M).

Los mecanismos que regulan la recombinación homóloga y NHEJ a lo largo del ciclo celular varían ampliamente entre especies.

[30]​ La proteína RPA, que tiene alta afinidad por ADN de una sola cadena, se une a salientes 3'.

En la meiosis, sin embargo, el ADN receptor tiende a ser de un cromosoma homólogo similar no necesariamente idéntico.

Durante la meiosis, los recombinantes no entrecruzados también se producen con frecuencia y éstos parecen surgir principalmente también por la vía de SDSA.

La recombinación homóloga ha sido más estudiada y se entiende mejor por Escherichia coli.

[51]​[52]​[53]​ Estas rupturas de doble cadena pueden ser causadas por la luz ultravioleta y otras radiaciones, así como mutágenos químicos.

[52]​[55]​[56]​ El desenrollo del ADN pausa durante unos segundos y luego se reanuda en más o menos la mitad de la velocidad inicial.

Si se corta el D-loop, otro intercambio de hebras forma una estructura transversal llamada unión Holliday.

Aunque las proteínas y los mecanismos específicos implicados en sus fases iniciales son diferentes, las dos vías son similares ya que ambas requieren ADN de cadena simple con un extremo 3' y la proteína RecA para la invasión de hebra.

Para catalizar la migración de la ramificación, la proteína RuvA primero reconoce y se une a la unión Holliday y recluta a la proteína RuvB para formar el complejo RuvAB.

La recombinación homóloga requiere que el ADN entrante sea muy similar al del genoma receptor, y por lo tanto la transferencia genética horizontal se limita generalmente a bacterias semejantes.

Cuando estos nuevos bacteriófagos infectan otras bacterias, el ADN de la bacteria huésped anterior se inyecta en el cromosoma del nuevo huésped bacteriano como ADN de doble cadena.

Para que una bacteria se una, tome e integre el ADN del donante en su cromosoma mediante recombinación homóloga residente, debe introducir primero un estado fisiológico especial denominado competencia.

Por ejemplo, la proteína RecA es esencial para la transformación en Bacillus subtilis y Streptococcus pneumoniae,[74]​ la expresión del gen RecA se induce durante el desarrollo de la competencia para la transformación en estos organismos.

Alternativamente, si dos virus similares han infectado a la misma célula huésped, la recombinación homóloga puede permitir que los dos virus intercambien genes y por lo tanto evolucionan variaciones más potentes de sí mismos.

[81]​ Cuando dos o más virus, cada uno con un daño genómico letal, infectan la misma célula huésped, los genomas de los virus pueden emparejarse entre sí y se someten a reparación de recombinación homóloga para producir una progenie viable.

Este proceso, conocido como reactivación múltiple, se ha estudiado en varios bacteriófagos, incluyendo fago T4.

[85]​ Sin una recombinación homóloga correcta, los cromosomas se alinean incorrectamente para la primera fase de la división celular en la meiosis.

A su vez, la falta de disyunción puede causar que el esperma y los óvulos tengan muy pocos o demasiados cromosomas.

[67]​[86]​ Las deficiencias en la recombinación homóloga han sido fuertemente ligadas a la formación de cáncer en los seres humanos.

[99]​ También llamado "gene targeting", el método es especialmente común en la genética de la levadura y el ratón.

Depiction of chromosome 1 after undergoing homologous recombination in meiosis
Figura 1. Durante la meiosis , la recombinación homóloga puede producir nuevas combinaciones de genes como se muestran aquí entre copias del cromosoma humano 1 similares pero no idénticas.
Figura 2. Una ilustración temprana del cruce de Thomas Hunt Morgan
Figura 3. Recombinación homóloga reparando el ADN antes de que la célula entre a la mitosis. (Fase M). Esto ocurre solamente durante y un poco después de la replicación de ADN durante las fases S y G 2 del ciclo celular.
See adjacent text.
Figura 4. Las vías DSBR y SDSA siguen los mismos pasos iniciales, pero posteriormente divergen. La vía DSBR resulta frecuentemente en entrecruzamiento cromosomal (abajo a la izquierda), mientras que la SDSA siempre termina en productos no entrecruzados (abajo a la derecha).
Still frame of an animation of the SSA pathway. A single molecule of double-stranded DNA is shown in red, oriented horizontally. On each of the two DNA strands, two purple regions indicating repeat sequences of DNA are shown to the left and right of the center of the DNA molecule.
Figura 5. La recombinación a través de la vía SSA ocurre entre dos elementos repetidos (morado) en el mismo dúplex de ADN, y resulta en deleciones del material genético. (Haz click para ver el diagrama animado en los navegadores Firefox , Chrome , Safari , u Opera )
Crystal structure of RecA bound to DNA.
Figura 6. Estructura cristal del filamento de la proteína RecA ligado al ADN. [ 47 ] ​ Un saliente 3' es visible a la derecha del centro.
Figura 7A. Modelo molecular de la vía RecBCD de recombinación. Este modelo se basa en las reacciones de ADN y RecBCD con ATP en exceso sobre los iones Mg2+. Paso 1: RecBCD se une a un extremo de la doble cadena del ADN. Paso 2: RecBCD desenrolla el ADN. RecD es una helicasa rápida en la hebra 5' de composición, y RecB es una helicasa más lenta en la hebra 3' de composición (la que tiene una punta de flecha) [ref 46 en la versión actual Wiki]. Esto produce dos colas (ss) de ADN de una sola hebra y un bucle ss. El bucle y las colas se agrandan como la RecBCD se mueve a lo largo del ADN. Paso 3: Las dos colas se recocen para producir un segundo bucle ss y ambos bucles se mueven y crecen. Paso 4: Al llegar a la secuencia de punto de acceso Chi (5 'GCTGGTGG 3'; punto rojo) RecBCD recorta la hebra 3' de composición. Un desenrollado posteriormente produce una larga cola 3'-ss cerca del extremo Chi. Paso 5: RecBCD carga la proteína RecA en la cola Chi. En algún momento indeterminado, las subunidades RecBCD se desarman. Paso 6: El complejo de RecA-ssDNA invade un dúplex de ADN homólogo intacto para producir un bucle D, que puede ser resuelto en el ADN intacto, recombinante de dos maneras. Paso 7: El bucle D se corta y se hibrida con el hueco en el primer ADN para producir una unión de Holliday. La resolución de la unión Holliday (corte, el intercambio de hebras, y la ligadura) en las puntas de flecha abiertas por alguna combinación de RuvABC y RecG produce dos recombinantes recíprocos. Paso 8: El extremo 3' de la cola Chi ceba la síntesis de ADN, de la que se puede generar una horquilla de replicación. La resolución de la horquilla en las puntas de flecha abiertas produce un ADN recombinante (no recíproco), un ADN de tipo parental, y un fragmento de ADN. [ 50 ] ​
Graphic showing proteins from each domain of life. Each protein is shown horizontally, with homologous domains on each protein indicated by color.
Figura 8. Los dominios de las proteínas en la recombinación homóloga- proteínas relacionadas son conservadas a través de tres grupos principales de la vida: arquea, bacteria y eucariontes.
A mouse with a white coat blotched with brown is shown on the right, with two smaller brown mice to the immediate left.
Figura 9. Como un embrión desarrollado, este ratón quimérico tiene el gen agouti introducido en su ADN a través de "gene targeting".Su descendencia son homocigotos para el gen agouti.