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.

Los pasos en el Modelo Holliday se ilustran en la Figura 8.6.

1. Dos cromosomas homólogos, cada uno compuesto por ADN dúplex, se emparejan con secuencias similares adyacentes entre sí.
2. Una endonucleasa se mella en las regiones correspondientes de cadenas homólogas de los dúplex pareados. Esto se muestra para los hilos con la flecha a la derecha en la figura.
3. Los extremos mellados se disocian de sus cadenas complementarias y cada hebra individual invade el otro dúplex. Esto ocurre de manera recíproca para producir una región heterodúplex derivada de una cadena de cada dúplex parental.
4. La ligasa de ADN sella las mellas. El resultado es una molécula articular estable, en la que una hebra de cada dúplex parental cruza hacia el otro dúplex. Esta articulación en forma de X se denomina intermedia Holliday o estructura Chi.
5. La migración de ramas luego expande la región de heterodúplex. La articulación estable puede moverse a lo largo de los dúplex pareados, alimentándose en más de cada hebra invasora y extendiendo la región del heterodúplex.
6. El intermedio de recombinación se resuelve entonces mellando una cadena en cada dúplex y ligadura.

Figura 8.6. Modelo Holliday para recombinación general: Invasión monocatenaria. Cada una de las cadenas de polinucleótidos (o cadenas del dúplex) se muestra con una orientación particular, indicada por las flechas. Los cromosomas con cadenas gruesas y cadenas delgadas son homólogos. Las cadenas más cercanas entre sí en este diagrama de los cromosomas homólogos se muestran en la misma orientación. (A diferencia de muchas de las figuras de este libro, la hebra superior de cada dúplex no está necesariamente orientada 5' a 3' de izquierda a derecha). El modelo Holliday no especifica un extremo particular (5' o 3') para la hebra sencilla invasora, pero para facilitar el seguimiento de los eventos, los extremos reciben una orientación en la figura.

La resolución puede ocurrir de dos maneras, solo una de las cuales da como resultado un intercambio de marcadores flanqueantes después de la recombinación. Los dos modos de resolución se pueden visualizar girando los dúplex para que no se crucen hebras entre sí en la ilustración (Figura 8.6). En el modo “horizontal” de resolución, las mellas se hacen en las mismas cadenas de ADN que originalmente se mellaron en los dúplex parentales. Después de la ligación de los dos extremos, esto produce dos moléculas dúplex con un parche de heterodúplex, pero sin recombinación de regiones flanqueantes. Por el contrario, para el modo de resolución “vertical”, las mellas se hacen en las otras hebras, es decir, las que no se mellan en los dúplex parentales originales. La ligadura de estos dos extremos también deja un parche de heterodúplex, pero además provoca la recombinación de regiones flanqueantes. Tenga en cuenta que “horizontal” y “vertical” son solo designaciones convenientes para los dos modos basados en los dibujos bidimensionales que podemos hacer. La distinción importante en términos de resultado genético es si los pasos de resolución se dirigen a las cadenas inicialmente divididas o a la otra cadena.

Los pasos en este modelo de recombinación general se pueden visualizar de forma dinámica visitando un sitio web mantenido por genetistas de la Universidad de Wisconsin (la URL es www.Wisc.edu/genetics/holliday/index.html). Esto muestra los pasos en el modelo Holliday en una película, ilustrando las acciones mucho más vívidamente que los diagramas estáticos.

La articulación recombinante propuesta por Holliday ha sido visualizada en micrografías electrónicas de dúplex de ADN recombinante (Figura 8.7A). Tiene la forma de X propuesta. Si bien esta articulación se dibuja con cierta distancia entre los dúplex en las ilustraciones, de hecho los dos dúplex están yuxtapuestos, y sólo unos pocos pares de bases se rompen en el intermedio Holliday (Figura 8.7B). La estructura es simétrica, y es probable que la elección entre resolución “horizontal” y “vertical” sea un evento aleatorio por parte de la nucleasa resolutora. Elige dos hebras, pero no puede decir cuáles fueron inicialmente cortadas y cuáles no.

Figura 8.7: Unión Holliday a partir de cristalografía de rayos X de un complejo Ruva-unión Holliday (de Hargreaves et al. (1998) Nature Structural Biology 5:441-4460. Para esta vista, se eliminó el tetrámero de proteína RuVA y solo se muestran las cadenas principales fosfodiéster de los dos dúplex (cuatro hebras). Tenga en cuenta las torceduras en el ADN en el centro de la estructura. Estos corresponden a aproximadamente tres nucleótidos en cada hebra que no están emparejados como en forma B de ADN. (CC BY-SA 3.0; Zephyri).

Estudios de recombinación entre cromosomas con homología limitada han demostrado que la longitud mínima de la región requerida para establecer la conexión entre los dúplex recombinantes es de aproximadamente 75 pb. Si la región de homología es más corta que esta, la tasa de recombinación se reduce sustancialmente.

El parche de heterodúplex puede replicarse (Figura 8.8) o repararse para generar un evento de conversión génica. Como se muestra en la Figura 8.8, la replicación a través de los productos de resolución horizontal (a partir de la Figura 8.6) generará un dúplex a partir de cada hebra del heterodúplex. Si consideramos que los cromosomas parentales son A+C+B+ y A-C-B-, y que el heterobúplex está en el gen C, los productos de replicación pueden tener un C+ parental convertido en C- pero aún flanqueado por A+ y B+ o C- convertido en C+ pero aún flanqueado por A- y B-. En cualquier caso, el gen C ha cambiado a un nuevo alelo sin afectar a los marcadores flanqueantes.

Figura 8.8. La conversión génica puede ocurrir por replicación a través de la región heterodúplex.

Aunque el modelo Holliday original representó muchos aspectos importantes de la recombinación (todos los que se conocían en ese momento), alguna información adicional requiere cambios en el modelo. Por ejemplo, el modelo Holliday trata ambos dúplex por igual; ambos son el invasor y el objetivo de la invasión de cadenas. Además, no se requiere una nueva síntesis de ADN en el modelo Holliday. Sin embargo, trabajos posteriores mostraron que una de las moléculas dúplex es la utilizada preferentemente como donante de información genética. De ahí modelos adicionales, como uno de Meselson y Radding, incorporaron nueva síntesis de ADN en el sitio de la mella para hacer y degradación de una hebra del otro dúplex para generar asimetría en los dos dúplex, con uno el donante el otro el receptor de ADN. Estas ideas y otras se han incorporado a un nuevo modelo de recombinación que implica roturas bicatenarias en los ADN.

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