7.11A: Recombinación Generalizada y RecA

En la recombinación homóloga, un tipo de recombinación genética, las secuencias de nucleótidos se intercambian entre dos moléculas similares de ADN.

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

Explicar el proceso de recombinación homóloga en bacterias

Claves para llevar

Puntos Clave

• La recombinación homóloga puede variar entre diferentes organismos y tipos de células, pero la mayoría de las formas implican los mismos pasos básicos.
• La recombinación homóloga es un importante proceso de reparación del ADN en bacterias. También es importante para producir diversidad genética en poblaciones bacterianas.
• La recombinación homóloga ha sido la más estudiada y se entiende mejor para Escherichia coli.

Términos Clave

• recombinación: La formación de combinaciones genéticas en crías que no están presentes en los padres
• genética: Relacionada con la genética o los genes.
• homólogo: Mostrar un grado de correspondencia o similitud.

La recombinación homóloga es un tipo de recombinación genética en la que las secuencias de nucleótidos se intercambian entre dos moléculas de ADN similares o idénticas. Es más ampliamente utilizado por las células para reparar con precisión las roturas dañinas que ocurren en ambas cadenas de ADN, conocidas como roturas bicatenarias. La recombinación homóloga también produce nuevas combinaciones de secuencias de ADN durante la meiosis, proceso por el cual los eucariotas producen células de gameto, como espermatozoides y óvulos en animales. Estas nuevas combinaciones de ADN representan la variación genética en la descendencia, lo que a su vez permite que las poblaciones se adapten durante el curso de la evolución. La recombinación homóloga también se utiliza en la transferencia horizontal de genes para intercambiar material genético entre diferentes cepas y especies de bacterias y virus.

La recombinación homóloga puede variar entre diferentes organismos y tipos de células, pero la mayoría de las formas implican los mismos pasos básicos. Después de que ocurre una ruptura bicatenaria, las secciones de ADN alrededor de los extremos 5' de la rotura se cortan en un proceso llamado resección. En el paso de invasión de cadena que sigue, un extremo saliente 3′ de la molécula de ADN rota entonces “invade” una molécula de ADN similar o idéntica que no se rompe. Después de la invasión de cadenas, una o dos estructuras en forma de cruz llamadas uniones Holliday conectan las dos moléculas de ADN. Dependiendo de cómo las dos uniones sean cortadas por las enzimas, el tipo de recombinación homóloga que ocurre en la meiosis da como resultado un cruce cromosómico o no cruzado. La recombinación homóloga que ocurre durante la reparación del ADN tiende a dar como resultado productos no cruzados, restaurando de hecho la molécula de ADN dañada tal como existía antes de la ruptura de la doble cadena.

La recombinación homóloga se conserva en los tres dominios de la vida, así como en los virus. La recombinación homóloga también se utiliza en la focalización génica, una técnica para introducir cambios genéticos en los organismos diana.

La recombinación homóloga es un importante proceso de reparación del ADN en bacterias. También es importante para producir diversidad genética en poblaciones bacterianas. La recombinación homóloga ha sido la más estudiada y se entiende mejor para Escherichia coli. Las roturas de ADN bicatenario en bacterias son reparadas por la vía recBCD de recombinación homóloga. Se cree que las roturas que ocurren en una de las dos cadenas de ADN, conocidas como huecos monocatenarios, son reparadas por la vía RecF. Tanto las vías RecBCD como RecF incluyen una serie de reacciones conocidas como migración de ramificaciones, en las que se intercambian cadenas individuales de ADN entre dos moléculas entrecruzadas de ADN dúplex, y resolución, en la que esas dos moléculas de ADN entrecruzadas se cortan y restauran a su estado bicatenario normal.

Figura: Pasos en la fase pre-sinapsis de recombinación homóloga en bacterias: Inicio de la vía RecBCD. Este modelo se basa en reacciones de ADN y recBCD con iones Mg2+ en exceso sobre ATP. Paso 1: RecBCD se une a una rotura de doble cadena de ADN. Etapa 2: RecBCD inicia el desenrollado del dúplex de ADN a través de la actividad helicasa dependiente de ATP. Paso 3: RecBCD continúa su desenrollamiento y se mueve hacia abajo por el dúplex de ADN, escindiendo la cadena 3′ con mucha más frecuencia que la cadena 5'. Paso 4: RecBCD encuentra una secuencia Chi y deja de digerir la cadena 3′; la escisión de la cadena 5' se incrementa significativamente. Paso 5: RecBCD carga RecA en la hebra de 3′. Paso 6: RecBCD se desune del dúplex de ADN, dejando un filamento de nucleoproteína RecA en la cola 3''.

La vía recBCD es la principal vía de recombinación utilizada en bacterias para reparar roturas bicatenarias en el ADN. Estas roturas bicatenarias pueden ser causadas por la luz UV y otras radiaciones, así como por mutágenos químicos. Las roturas bicatenarias también pueden surgir por replicación del ADN a través de una mella o hueco monocatenario Tal situación provoca lo que se conoce como una bifurcación de replicación colapsada y se fija por varias vías de recombinación homóloga incluyendo la vía recBCD.

En esta vía, un complejo enzimático de tres subunidades llamado recBCD inicia la recombinación uniéndose a un extremo romo o casi romo de una ruptura en el ADN bicatenario. Después de que recBCD se une al extremo del ADN, las subunidades RecB y RecD comienzan a descomprimir el dúplex de ADN a través de la actividad helicasa. La subunidad RecB también tiene un dominio nucleasa, que corta la cadena sencilla de ADN que emerge del proceso de descompresión. Esta descompresión continúa hasta que RecBCD encuentra una secuencia de nucleótidos específica (5′-GCTGGTGG-3′) conocida como sitio Chi.

Al encontrarse con un sitio Chi, la actividad de la enzima recBCD cambia drásticamente. El desenrollamiento del ADN hace una pausa durante unos segundos y luego se reanuda a aproximadamente la mitad de la velocidad inicial. Esto probablemente se deba a que la helicasa RecB más lenta desenrolla el ADN después de Chi, en lugar de la helicasa RecD más rápida, que desenrolla el ADN antes que Chi. El reconocimiento del sitio Chi también cambia la enzima recBCD de manera que corta la cadena de ADN con Chi y comienza a cargar múltiples proteínas RecA en el ADN monocatenario con el extremo 3′ recién generado. El filamento de nucleoproteína recubierto con RecA resultante busca secuencias similares de ADN en un cromosoma homólogo. El proceso de búsqueda induce el estiramiento del dúplex de ADN, lo que mejora el reconocimiento de homología (un mecanismo denominado corrección conformacional). Al encontrar tal secuencia, el filamento de nucleoproteína monocatenaria se mueve hacia el dúplex de ADN receptor homólogo en un proceso llamado invasión de cadenas. El saliente 3′ invasor provoca que una de las cadenas del dúplex de ADN receptor se desplace, para formar un bucle D. Si se corta el bucle D, otro intercambio de hebras forma una estructura en forma de cruz llamada unión Holliday.La resolución de la unión Holliday por alguna combinación de RuvABC o RecG puede producir dos moléculas de ADN recombinante con tipos genéticos recíprocos, si las dos moléculas de ADN que interactúan difieren genéticamente. Alternativamente, el extremo 3" invasor cerca de Chi puede cebar la síntesis de ADN y formar una bifurcación de replicación. Este tipo de resolución produce solo un tipo de recombinante (no recíproco).