8: Recombinación de ADN
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El capítulo sobre mutación y reparación del ADN se ocupó principalmente de pequeños cambios en la secuencia del ADN, generalmente pares de bases simples, resultantes de errores en la replicación o daño al ADN. La secuencia de ADN de un cromosoma también puede cambiar en segmentos grandes, por los procesos de recombinación y transposición. La recombinación es la producción de nuevas moléculas de ADN a partir de dos moléculas de ADN parentales o diferentes segmentos de una misma molécula de ADN; este será el tema de este capítulo. La transposición es una forma altamente especializada de recombinación en la que un segmento de ADN se mueve de una ubicación a otra, ya sea en el mismo cromosoma o en un cromosoma diferente; esto se discutirá en el próximo capítulo.
- 8.1: Tipos y ejemplos de recombinación
- Se han identificado al menos cuatro tipos de recombinación natural en organismos vivos: (1) Recombinación general u homóloga, (2) recombinación ilegítima o no homóloga, (3) recombinación específica de sitio y (4) recombinación replicativa.
- 8.2: Detección de recombinación
- La Segunda Ley de Mendel describió el surtido aleatorio de alelos de pares de genes. Sin embargo, ciertos pares de genes muestran desviaciones de este surtido aleatorio, lo que lleva a la conclusión de que esos genes están vinculados en un cromosoma. El enlace no siempre es completo, lo que significa que los genotipos no parentales se observan en una proporción de la progenie. Esto se explica por el cruce entre los pares de genes durante la meiosis en los padres.
- 8.3: Recombinación meiótica
- La capacidad de los cromosomas homólogos para ser emparejados durante la primera fase de la meiosis es fundamental para el éxito de este proceso, que mantiene un conjunto haploide correcto de cromosomas en la célula germinal. La recombinación es una parte integral del emparejamiento de cromosomas homólogos. Ocurre entre cromátidas no hermanas durante la etapa paquiteno de la meiosis I (la primera etapa de la meiosis) y posiblemente antes, cuando los cromosomas homólogos están alineados en el cigoteno.
- 8.4: Ventajas de la Recombinación Genética
- No solo es necesaria la recombinación para el emparejamiento homólogo durante la meiosis, sino que la recombinación tiene al menos dos beneficios adicionales para las especies sexuales. Hace nuevas combinaciones de alelos a lo largo de los cromosomas, y restringe los efectos de las mutaciones en gran medida a la región alrededor de un gen, no a todo el cromosoma. Dado que cada cromosoma experimenta al menos un evento de recombinación durante la meiosis, se generan nuevas combinaciones de alelos.
- 8.5: Evidencia de heterodúplex a partir de recombinación en hongos
- El mecanismo por el cual se produce la recombinación se ha estudiado principalmente en hongos, como la levadura en ciernes Saccharomyces cerevisiae y el hongo filamentoso Ascomycetes, y en bacterias. Los hongos sufren meiosis, y por lo tanto algunos aspectos de sus sistemas de recombinación pueden ser más similares a los de plantas y animales que a los de las bacterias. Sin embargo, las funciones enzimáticas descubiertas por estudios genéticos y bioquímicos de recombinación en bacterias también tienen contrapartes en organismos eucariotas.
- 8.6: Modelo Holliday para Recombinación General - Invasión Monocatenaria
- En 1964, Robin Holliday propuso un modelo que dio cuenta de la formación de heterodúplex y la conversión génica durante la recombinación. Aunque ha sido suplantada por el modelo de rotura bicatenaria (al menos para recombinación en levaduras y organismos superiores), es un lugar útil para comenzar. Ilustra los pasos críticos de emparejamiento de dúplex homólogos, formación de un heterodúplex, formación de la articulación de recombinación, migración de ramas y resolución.
- 8.7: Modelo de doble hebra para recombinación
- Varias líneas de evidencia, principalmente de estudios de recombinación en levaduras, requirieron cambios en el intercambio recíproco de cadenas de ADN iniciadas en mellas monocatenarias. Como se acaba de mencionar, un dúplex de ADN tendía a ser el donante de información y el otro el receptor, en contraste con el intercambio igualitario predicho por el modelo Holliday original. Además, en levaduras, la recombinación podría iniciarse por roturas bicatenarias.
- 8.8: Enzimas necesarias para la recombinación en E. coli
- Los pasos iniciales para encontrar enzimas que lleven a cabo la recombinación fueron cribas genéticas para mutantes de E. coli que son defectuosos en recombinación. Se desarrollaron ensayos para probar la recombinación y se aislaron mutantes que mostraron una disminución en la frecuencia de recombinación. Estos fueron asignados a grupos de complementación llamados RecA, RecB, RecC, RecD, y así sucesivamente. Se han identificado aproximadamente 20 genes diferentes (diferentes grupos de complementación rec) en E. coli.
- 8.9: Generación de hebras individuales
- Una de las vías principales para generar terminales monocatenarios 3' utiliza la enzima recBCD, también conocida como exonucleasa V. Las tres subunidades de esta enzima están codificadas por los genes recB, recC y recD. Cada modelo de recombinación requiere de una sola hebra con un extremo libre para la invasión de cadena, y esta enzima lo hace, pero con varias características inesperadas.
- 8.10: Sinapsis e Invasión de Hilos Individuales
- El emparejamiento de las dos moléculas de ADN recombinantes (sinapsis) y la invasión de una sola cadena desde el dúplex de inicio hacia el otro dúplex son catalizadas por la proteína multifuncional RecA. Esta invasión del ADN dúplex por un ADN monocatenario da como resultado el reemplazo de una de las cadenas del dúplex original por la cadena invasora, y la cadena reemplazada se desplaza del dúplex. De ahí que esta reacción también se pueda denominar asimilación de cadenas o intercambio de cadenas.
- 8.11: Migración de Sucursales
- El movimiento de una unión Holliday para generar heterodúplex adicional requiere de dos proteínas. Uno es el tetrámero RuVa, que reconoce la estructura del cruce Holliday. El otro es RuvB, que es una ATPasa. Forma anillos hexaméricos que proporcionan el motor para la migración de ramas.
- 8.12: Resolución
- RuvC es la endonucleasa que escinde las uniones Holliday. Forma dímeros que se unen a la unión Holliday; datos recientes indican una interacción entre RuVa, RuvB y RuvC como un complejo en la unión Holliday. La estructura del complejo RuvA-unión Holliday sugiere que la estructura abierta de la unión estabilizada por la unión de RuVA puede exponer una superficie que es reconocida por Ruv C para la escisión.
Lecturas sugeridas
- Holliday, R. (1964) Un mecanismo para la conversión génica en hongos. Investigación Genética 5:282-304.
- Orr-Weaver, T. L., Szostak, J. W. y Rothstein, R. J. (1981) Transformación de levadura: un sistema modelo para el estudio de la recombinación. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 78:6354-6358.
- Szostak, J. W., Orr-Weaver, T. L., Rothstein, R. J. y Stahl, F. W. (1983) El modelo de reparación de rotura de doble cadena para recombinación. Celda 33:25-35.
- Stahl, F. W. (1994) El cruce de Holliday en su trigésimo aniversario. Genética 138:241-246.
- Kowalczykowski, S.C., Dixon, D. A., Eggleston, A. K., Lauder, S. D. y Rehrauer, W. M. (1994) Microbiological Reviews 58:401-465.
- Eggleston, A. K. y West, S. C. (1996) Intercambiando socios: recombinación en E. coli. Treand en Genética 12:20-25.
- Edelmann, W. y Kucherlapati, R. (1996) Papel de las enzimas de recombinación en la supervivencia celular de mamíferos. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93:6225-6227.