- perspectiva històrica
- Què és la recombinació homòloga?
- Funcions i conseqüències de la recombinació homòloga
- en bacteris
- mecanisme
- sinapsis
- Formació de l'bucle D
- Formació de les unions de Holliday
- proteïnes involucrades
- Anomalies associades als processos de recombinació
- Aplicacions de la recombinació
- Altres tipus de recombinació
- referències
La recombinació homòloga és un procés que involucra l'intercanvi de molècules d'ADN entre seccions similars o idèntiques de l'genoma. Les cèl·lules fan servir la recombinació homòloga principalment per a la reparació de trencaments en el material genètic, generant variació genètica en les poblacions.
De manera general, la recombinació homòloga implica l'aparellament físic entre zones homòlogues de l'material genètic, seguit del trencament de les cadenes que van a experimentar l'intercanvi, i finalment la unió de les noves molècules d'ADN combinades.
Recombinació entre dos cromosomes homòlegs.
Font: EMW
Els trencaments a l'ADN han de ser reparades el més ràpid i eficientment possible. Quan els danys no són reparats, les conseqüències poden ser greus i fins letals. En els bacteris, la funció principal de la recombinació homòloga és reparar aquests trencaments en el material genètic.
La recombinació homòloga és considerada un dels mecanismes principals que permeten l'estabilitat de l'genoma. Està present en tots els dominis de la vida i fins en els virus, de manera que presumiblement es tracta d'un mecanisme vital que va aparèixer molt d'hora en l'evolució de la vida.
perspectiva històrica
Un dels principis més rellevants proposats per Gregor Mendel consisteix en la independència en la segregació dels caràcters. Segons aquesta llei, els diferents gens passen de pares a fills independentment.
No obstant això, en 1900 va ser evident l'existència d'excepcions molt marcades a aquest principi. Els genetistes anglesos Bateson i Punnett van demostrar que moltes vegades certs caràcters són heretats junts, i per aquests trets el principi enunciat per Mendel no té validesa.
Investigacions posteriors van aconseguir dilucidar l'existència de l'procés de recombinació, on les cèl·lules eren capaços d'intercanviar el material genètic. En els casos on els gens heretaven junts, l'ADN no era intercanviat per la proximitat física entre els gens.
Què és la recombinació homòloga?
La recombinació homòloga és un fenomen cel·lular que implica l'intercanvi físic de seqüències d'ADN entre dos cromosomes. La recombinació involucra un conjunt de gens coneguts com a gens rec. Aquests codifiquen per a diferents enzims que participen en el procés.
Les molècules d'ADN són considerades "homòlogues" quan comparteixen seqüències similars o idèntiques de més de 100 parells de bases. L'ADN presenta petites regions que poden diferir entre si, i aquestes variants es coneixen com lels.
En els éssers vius, tot l'ADN és considerat ADN recombinant. L'intercanvi de material genètic entre els cromosomes passa contínuament, barrejant i reordenant els gens en els cromosomes.
Aquest procés ocorre de manera òbvia en la meiosi. Específicament en la fase on els cromosomes s'aparellen a la primera divisió cel·lular. En aquesta etapa, es produeix l'intercanvi de material genètic entre els cromosomes.
Històricament, aquest procés es designa en la literatura usant el vocable anglosaxó crossing over. Aquest esdeveniment és un dels resultats de la recombinació homòloga.
La freqüència de crossing over entre dos gens de el mateix cromosoma depèn principalment de la distància que hi ha entre tots dos; mentre menor és la distància física entre ells, menor és la freqüència d'intercanvi.
Funcions i conseqüències de la recombinació homòloga
El material genètic està constantment exposat a danys, provocats per fonts endògenes i exògenes, com la radiació, per exemple.
S'estima que les cèl·lules humanes presenten un nombre important de lesions en l'ADN, en l'ordre de les desenes fins a centenars per dia. Aquestes lesions necessiten ser reparades per evitar mutacions deletèries potencials, bloquejos en la replicació i en la transcripció i danys a nivell cromosòmics.
Des del punt de vista mèdic, els danys en l'ADN que no són reparats correctament es tradueixen en el desenvolupament de tumors i altres patologies.
La recombinació homòloga és un esdeveniment que permet la reparació en l'ADN, permetent la recuperació de seqüències perdudes, usant com a motlle l'altre bri (homologa) d'ADN.
Aquest procés metabòlic està present en totes les formes de vida, proporcionant un mecanisme d'alta fidelitat que permet reparar "bretxes" en l'ADN, trencaments bicatenarias i enllaços creuats entre les cadenes d'ADN.
Un de les conseqüències més rellevants de la recombinació és la generació de nova variació genètica. Juntament amb les mutacions, són els dos processos que generen variació en els éssers vius - recordem que la variació és la matèria primera per a l'evolució.
A més, proveeix un mecanisme per reiniciar les forquilles de replicació que s'han danyat.
en bacteris
En els bacteris, hi ha esdeveniments freqüents de transferència horitzontal de gens. Aquests es classifiquen com conjugació, transformació i transducció. Aquí, els procariotes prenen ADN d'un altre organisme, i fins i tot de diferents espècies.
Durant aquests processos, passa recombinació homòloga, entre la cèl·lula receptora i la cèl·lula donadora.
mecanisme
La recombinació homòloga s'inicia amb el trencament en una de les brins de la molècula d'ADN cromosòmic. Després d'això, ocorren una sèrie de passos catalitzats per múltiples enzims.
L'extrem 3'donde passa el tall és envaït per la doble cadena homòloga d'ADN. El procés d'invasió és crucial. Amb "cadena homòloga" volem fer referència a les porcions dels cromosomes que tenen els mateixos gens en un ordenament lineal, encara que les seqüències de nucleòtids no tenen per què ser idèntics.
sinapsis
Aquesta invasió del bri col·loca els cromosomes homòlegs un davant un altre. Aquest fenomen de trobada de fils s'anomena sinapsis (no confondre amb la sinapsis en les neurones, aquí el terme s'usa amb un altre significat).
La sinapsis no implica necessàriament un contacte directe entre les dues seqüències homòlogues, l'ADN pot continuar desplaçant-se per un temps fins que troba a la porció homòloga. Aquest procés de recerca s'anomena alineament homòleg.
Formació de l'bucle D
Després, ocorre un esdeveniment denominat «invasió del bri». Un cromosoma és un doble hèlix d'ADN. A la recombinació homòloga dos cromosomes busques seves seqüències homòlogues. En una de les hèlixs, els brins de separen i aquesta bri «envaeix» l'estructura de doble hèlix, formant l'estructura anomenada bucle D.
La cadena de l'bucle D ha estat desplaçada per la invasió del bri que presenta la ruptura i s'aparella amb el bri complementari de la doble hèlix original.
Formació de les unions de Holliday
El pas següent és la formació de les unions de Holliday. Aquí, els extrems de les fibres intercanviades són lligats. Aquesta unió té la capacitat de mobilitzar-se en qualsevol direcció. La unió pot trencar-se i formar-se en múltiples ocasions.
El procés final de la recombinació és la resolució d'aquestes unions i hi ha dues vies o maneres en què la cèl·lula ho aconsegueix. Una d'elles és el clivatge de la unió o per un procés anomenat dissolució, típic dels organismes eucariotes.
En el primer mecanisme, el trencament de la unió de Holliday regenera dues cadenes. A l'altre esdeveniment de "dissolució" ocorre una espècie de col·lapse en la unió.
proteïnes involucrades
Una proteïna crucial de l'procés de recombinació és cridada RAD51 en les cèl·lules eucariotes, i RecA en Escherichia coli. Funciona en les diferents fases de la recombinació: abans, durant i després de la sinapsis.
La proteïna RAD51 facilita la formació de la connexió física entre l'ADN invasor i l'ADN temperat. En aquest procés es genera l'ADN heteroduplex.
RAD51, i el seu homòleg RecA, catalitzen la recerca d'ADN homòleg i l'intercanvi d'brins d'ADN. Aquestes proteïnes tenen la capacitat d'unir-se cooperativament a un ADN de simple banda.
També hi gens paràlegs (originats a partir d'esdeveniments de duplicació gènica en un llinatge d'organismes) de RAD51, anomenats Rad55 i Rad57. En els humans, s'han identificat cinc gens paràlegs de RAD51 denominats Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2, i Xrcc3.
Anomalies associades als processos de recombinació
Com la recombinació requereix de la unió física en els cromosomes, és un pas crucial en la segregació correcta durant la meiosi. Si no es produeix una recombinació adequada, el resultat pot ser una patologia important.
La no disjunció dels cromosomes o errors en la segregació és una de les causes més freqüències d'avortaments i anomalies d'origen cromosòmic, com la trisomia de l'cromosoma 21, causant de la síndrome de Down.
Tot i que la recombinació sol ser un procés bastant precís, les regions de l'genoma que estan repetides i els gens que posseeixen múltiples còpies al llarg de l'genoma són elements propensos a un entrecreuament desigual.
Aquest entrecreuament produeix diferents trets amb rellevància clínica, entre elles malalties freqüents com la talassèmia i l'autisme.
Aplicacions de la recombinació
Els biòlegs moleculars han tret profit de el coneixement de l'mecanisme de la recombinació homòloga per a la creació de diferents tecnologies. Una d'aquestes permet la creació d'organismes "knockout".
Aquests organismes modificats genèticament permeten dilucidar la funció d'un gen d'interès.
Una de les metodologies usades per a la creació d'knockouts consisteix en la supressió de l'expressió de el gen específic substituint el gen original per una versió modificada o "danyada". El gen s'intercanvia per la versió mutada per mitjà de recombinació homòloga.
Altres tipus de recombinació
A més de la recombinació homòloga o legítima, hi ha altres tipus d'intercanvi de material genètic.
Quan les regions de l'ADN que intercanvien el material són no al·lèliques (de cromosomes homòlegs) el resultat és la duplicació o la reducció de gens. Aquest procés es coneix com recombinació no homòloga o recombinació desigual.
Conjuntament, el material genètic també pot ser intercanviat entre cromàtides germanes d'un mateix cromosoma. Aquest procés ocorre tant en la divisió meiòtica com mitòtica, i se l'anomena intercanvi desigual.
referències
- Baker, TA, Watson, JD, & Bell, SP (2003). Molecular biology of the gene. Benjamin-Cummings Publishing Company.
- Devlin, TM (2004). Bioquímica: llibre de text amb aplicacions clíniques. Reverté.
- Jasin, M., & Rothstein, R. (2013). Repair of strand breaks by homologous recombination. Cold Spring Harbor perspectives in biology, 5 (11), a012740.
- Li, X., & Heyer, WD (2008). Homologous recombination in DNA repair and DNA damage tolerance. Cell research, 18 (1), 99-113.
- Murray, PR, Rosenthal, KS, & Pfaller, MA (2017). Microbiologia mèdica. Elsevier Health Sciences.
- Nussbaum, RL, McInnes, RR, & Willard, HF (2015). Thompson & Thompson genetics in medicine e-book. Elsevier Health Sciences.
- Virgili, RO, & Taboada, JMV (2006). Genoma humà: nous avenços en investigació, diagnòstic i tractament. Edicions Universitat Barcelona.