8.1: Tipos y ejemplos de recombinación

Se han identificado al menos cuatro tipos de recombinación natural en organismos vivos (Figura 8.1).

1. La recombinación general u homóloga ocurre entre moléculas de ADN de secuencia muy similar, como cromosomas homólogos en organismos diploides. La recombinación general puede ocurrir a lo largo del genoma de organismos diploides, utilizando una o una pequeña cantidad de vías enzimáticas comunes. Este capítulo se ocupará casi en su totalidad de la recombinación general.
2. La recombinación ilegítima o no homóloga ocurre en regiones donde no es aparente similitud de secuencia a gran escala, por ejemplo, translocaciones entre diferentes cromosomas o deleciones que eliminan varios genes a lo largo de un cromosoma. Sin embargo, cuando se analiza la secuencia de ADN en los puntos de interrupción para estos eventos, en algunos casos se encuentran regiones cortas de similitud de secuencia. Por ejemplo, la recombinación entre dos genes similares que están separados por varios millones de pb puede conducir a la deleción de los genes que intervienen en las células somáticas.
3. La recombinación específica del sitio ocurre entre secuencias cortas particulares (aproximadamente 12 a 24 pb) presentes en moléculas parentales que de otro modo serían diferentes. La recombinación específica del sitio requiere una maquinaria enzimática especial, básicamente una enzima o sistema enzimático para cada sitio en particular. Buenos ejemplos son los sistemas para la integración de algunos bacteriófagos, como l, en un cromosoma bacteriano y el reordenamiento de genes de inmunoglobulina en animales vertebrados.
4. El tercer tipo es la recombinación replicativa, que genera una nueva copia de un segmento de ADN. Muchos elementos transponibles utilizan un proceso de recombinación replicativa para generar una nueva copia del elemento transponible en una nueva ubicación.

Figura 8.1. Tipos de recombinación natural.Cada línea representa un cromosoma o segmento de un cromosoma; así una sola línea representa ambas cadenas de ADN dúplex. Para recombinación homóloga o general, cada cromosoma homólogo se muestra como un tono diferente de azul y un grosor distintivo, con diferentes alelos para cada uno de los tres genes en cada uno. La recombinación entre los genes A y B conduce a un intercambio recíproco de información genética, cambiando la disposición de los alelos en los cromosomas. Para la recombinación no homóloga (o ilegítima), dos cromosomas diferentes (denotados por los diferentes colores y diferentes genes) se recombinan, moviéndose, por ejemplo, el gen C para que ahora esté en el mismo cromosoma que los genes D y E. Aunque las secuencias de los dos cromosomas difieren en la mayor parte de sus longitudes, los segmentos en los sitios de recombinación pueden estar relacionados, denotados por los rectángulos amarillo y naranja. La recombinación específica del sitio conduce a la combinación de dos moléculas de ADN diferentes, ilustradas aquí para un bacteriófago l que se integra en el colicromosoma E. Esta reacción es catalizada por una enzima específica que reconoce una secuencia corta presente tanto en el ADN del fago como en el sitio diana en el cromosoma bacteriano, llamada att. Se observa recombinación replicativa para algunos elementos transponibles, mostrados como rectángulos rojos, nuevamente utilizando una enzima específica, en este caso codificada por el elemento transponible.

La tecnología de ADN recombinante utiliza otros dos tipos de recombinación. El corte dirigido y reunión de diferentes moléculas de ADN in vitro utilizando endonucleasas de restricción y ADN ligasas es bien conocido, como se contempla en el Capítulo 2. Una vez hechas, estas moléculas de ADN recombinante se introducen luego en un organismo huésped, a menudo una bacteria. Si el ADN recombinante es un plásmido, fago u otra molécula capaz de replicarse en el huésped, permanecerá extracromosómico. Sin embargo, se puede introducir la molécula de ADN recombinante en un hospedador en el que no puede replicarse, como una planta, una célula animal en cultivo o un óvulo de ratón fertilizado. Para que el huésped se transforme de manera estable, el ADN introducido tiene que ser absorbido en un cromosoma del huésped. En bacterias y levaduras, esto puede ocurrir por recombinación homóloga a una frecuencia razonablemente alta. Sin embargo, esto no ocurre en células vegetales o animales. En contraste, a baja frecuencia, algunas de estas moléculas de ADN introducidas se incorporan en localizaciones aleatorias en los cromosomas de la célula hospedadora. Así, la recombinación aleatoria en cromosomas puede hacer células transfectadas de manera estable y plantas y animales transgénicos. El mecanismo de esta recombinación durante la transformación o transfección no se entiende bien, aunque se usa comúnmente en el laboratorio.

La recombinación general es una parte integral del complejo proceso de meiosis en organismos que se reproducen sexualmente. Se traduce en un cruce entre pares de genes a lo largo de un cromosoma, los cuales se revelan en apareamientos apropiados (Capítulo 1). Los quiasmas que unen cromosomas homólogos durante la meiosis son los sitios probables de los cruces que dan como resultado la recombinación. La recombinación general también ocurre en organismos no sexuales cuando están presentes dos copias de un cromosoma o segmento cromosómico. Lo hemos encontrado como recombinación durante la transferencia conyugal mediada por factor F de partes de cromosomas en E. coli (Capítulo 1). La recombinación entre dos fagos durante una infección mixta de bacterias es otro ejemplo. Además, el sistema de recuperación para reparación post-replicativa (Capítulo 7) implica recombinación general.

El mecanismo de recombinación se ha estudiado intensamente en bacterias y hongos, y algunas de las enzimas involucradas han sido bien caracterizadas. Sin embargo, aún no se ha logrado una imagen completa del mecanismo, o mecanismos, de recombinación. Discutiremos las propiedades generales de la recombinación, cubriremos dos modelos de recombinación y discutiremos algunas de las propiedades de las enzimas clave en las vías de recombinación.

Recombinación recíproca y no recíproca

La recombinación general puede parecer dar como resultado un intercambio igual o desigual de información genética. El intercambio igual se denomina recombinación recíproca, como se ilustra en la Figura 8.1. En este ejemplo, dos cromosomas homólogos se distinguen por tener alelos de tipo silvestre en un cromosoma (A+, B+ y C+) y alelos mutantes en el otro (A-, B- y C-). La recombinación homóloga entre los genes A y B intercambia el segmento de un cromosoma que contiene los alelos de tipo silvestre de los genes B y C (B+ y C+) por el segmento que contiene los alelos mutantes (B- y C-) en el cromosoma homólogo. Esto podría explicarse por la rotura y reincorporación de los dos cromosomas homólogos durante la meiosis; sin embargo, veremos más adelante que el mecanismo enzimático es más complejo que el simple corte y ligadura. El ADN que se elimina del cromosoma superior (azul oscuro delgado) se une con el cromosoma inferior (azul claro grueso), y el ADN eliminado del cromosoma inferior se agrega al cromosoma superior. Este proceso que da como resultado nuevas moléculas de ADN que portan información genética derivada de ambas moléculas de ADN parentales se denomina recombinación recíproca. El número de alelos para cada gen sigue siendo el mismo en los productos de esta recombinación, solo que su disposición ha cambiado.

La recombinación general también puede dar como resultado una transferencia unidireccional de información genética, lo que resulta en un alelo de un gen en un cromosoma que se cambia al alelo en el cromosoma homólogo. A esto se le llama conversión génica. Como se ilustra en la Figura 8.2, la recombinación entre dos cromosomas homólogos A+B+C+ y A-B-C- puede dar como resultado una nueva disposición, A-B+C-, sin un cambio en el A+B+C+ parental. En este caso, el alelo del gen B en el cromosoma inferior ha cambiado de B- a B+ sin un cambio recíproco en el otro cromosoma. Así, en contraste con la recombinación recíproca, el número de tipos de alelos para el gen B ha cambiado en los productos de esta recombinación; ahora solo hay uno (B+). Este es un ejemplo de conversión génica intercromosómica, es decir, entre cromosomas homólogos. Copias similares de genes pueden estar en el mismo cromosoma, y estos también pueden sufrir conversión génica. Se han documentado casos de conversión de genes intracromosómicos para los genes de gamma-globina de humanos. La ocurrencia de conversión génica durante la recombinación general es una indicación de que el mecanismo enzimático no es un simple corte y pegado.

Figura 8.2.Conversión génica cambiando el alelo B- en el cromosoma inferior (grueso, azul claro) a B+. Tenga en cuenta que la disposición de los alelos en el cromosoma superior (delgado, azul oscuro) no ha cambiado.

Ejercicio 8.1

¿Por qué no interpretaría el cromosoma A-B+C- como resultado de dos cruces recíprocos, uno a cada lado del gen B?

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