Recombinación homóloga: funciones, mecanismo y aplicaciones
La recombinación homóloga es un proceso que involucra el intercambio de moléculas de ADN entre secciones similares o idénticas del genoma. Las células usan la recombinación homóloga principalmente para la reparación de roturas en el material genético, generando variación genética en las poblaciones.
De manera general, la recombinación homóloga implica el apareamiento físico entre zonas homólogas del material genético, seguido de la rotura de las cadenas que van a experimentar el intercambio, y finalmente la unión de las nuevas moléculas de ADN combinadas.
Las roturas en el ADN deben ser reparadas lo más rápido y eficientemente posible. Cuando los daños no son reparados, las consecuencias pueden ser graves y hasta letales. En las bacterias, la función principal de la recombinación homóloga es reparar estas roturas en el material genético.
La recombinación homóloga es considerada uno de los mecanismos principales que permiten la estabilidad del genoma. Está presente en todos los dominios de la vida y hasta en los virus, por lo que presumiblemente se trata de un mecanismo vital que apareció muy temprano en la evolución de la vida.
Índice del artículo
- 1 Perspectiva histórica
- 2 ¿Qué es la recombinación homóloga?
- 3 Funciones y consecuencias de la recombinación homóloga
- 4 Mecanismo
- 5 Anomalías asociadas a los procesos de recombinación
- 6 Aplicaciones de la recombinación
- 7 Otros tipos de recombinación
- 8 Referencias
Uno de los principios más relevantes propuestos por Gregor Mendel consiste en la independencia en la segregación de los caracteres. Según esta ley, los distintos genes pasan de padres a hijos independientemente.
No obstante, en 1900 fue evidente la existencia de excepciones muy marcadas a dicho principio. Los genetistas ingleses Bateson y Punnett demostraron que muchas veces ciertos caracteres son heredados juntos, y para estos rasgos el principio enunciado por Mendel no tiene validez.
Investigaciones posteriores lograron dilucidar la existencia del proceso de recombinación, donde las células eran capaces de intercambiar el material genético. En los casos donde los genes heredaban juntos, el ADN no era intercambiado por la cercanía física entre los genes.
La recombinación homóloga es un fenómeno celular que implica el intercambio físico de secuencias de ADN entre dos cromosomas. La recombinación involucra un conjunto de genes conocidos como genes rec. Estos codifican para distintas enzimas que participan en el proceso.
Las moléculas de ADN son consideradas “homólogas” cuando comparten secuencias similares o idénticas de más de 100 pares de bases. El ADN presenta pequeñas regiones que pueden diferir entre sí, y estas variantes se conocen como alelos.
En los seres vivos, todo el ADN es considerado ADN recombinante. El intercambio de material genético entre los cromosomas ocurre continuamente, mezclando y reordenando los genes en los cromosomas.
Este proceso ocurre de manera obvia en la meiosis. Específicamente en la fase donde los cromosomas se aparean en la primera división celular. En esta etapa, se produce el intercambio de material genético entre los cromosomas.
Históricamente, este proceso se designa en la literatura usando el vocablo anglosajón crossing over. Este evento es uno de los resultados de la recombinación homóloga.
La frecuencia de crossing over entre dos genes del mismo cromosoma depende principalmente de la distancia que existe entre ambos; mientras menor es la distancia física entre ellos, menor es la frecuencia de intercambio.
El material genético está constantemente expuesto a daños, provocados por fuentes endógenas y exógenas, como la radiación, por ejemplo.
Se estima que las células humanas presentan un número importante de lesiones en el ADN, en el orden de las decenas hasta cientos por día. Estas lesiones necesitan ser reparadas para evitar mutaciones deletéreas potenciales, bloqueos en la replicación y en la transcripción y daños a nivel cromosómicos.
Desde el punto de vista médico, los daños en el ADN que no son reparados correctamente se traducen en el desarrollo de tumores y otras patologías.
La recombinación homóloga es un evento que permite la reparación en el ADN, permitiendo la recuperación de secuencias perdidas, usando como molde la otra hebra (homologa) de ADN.
Este proceso metabólico está presente en todas las formas de vida, proporcionando un mecanismo de alta fidelidad que permite reparar “brechas” en el ADN, roturas bicatenarias y enlaces cruzados entre las cadenas de ADN.
Uno de las consecuencias más relevantes de la recombinación es la generación de nueva variación genética. Junto con las mutaciones, son los dos procesos que generan variación en los seres vivos – recordemos que la variación es la materia prima para la evolución.
Además, provee un mecanismo para reiniciar las horquillas de replicación que se han dañado.
En las bacterias, existen eventos frecuentes de transferencia horizontal de genes. Estos se clasifican como conjugación, transformación y transducción. Acá, los procariotas toman ADN de otro organismo, y hasta de distintas especies.
Durante estos procesos, ocurre recombinación homóloga, entre la célula receptora y la célula dadora.
La recombinación homóloga inicia con la rotura en una de las hebras de la molécula de ADN cromosómico. Tras esto, ocurren una serie de pasos catalizados por múltiples enzimas.
El extremo 3´donde ocurre el corte es invadido por la doble cadena homóloga de ADN. El proceso de invasión es crucial. Con “cadena homóloga” queremos hacer referencia a las porciones de los cromosomas que tienen los mismos genes en un ordenamiento lineal, aunque las secuencias de nucleótidos no tienen por qué ser idénticos.
Esta invasión de la hebra coloca a los cromosomas homólogos uno frente a otro. Este fenómeno de encuentro de hebras se denomina sinapsis (no confundir con la sinapsis en las neuronas, acá el término se usa con otro significado).
La sinapsis no implica necesariamente un contacto directo entre ambas secuencias homólogas, el ADN puede continuar desplazándose por un tiempo hasta que encuentra a la porción homóloga. Este proceso de búsqueda se denomina alineamiento homólogo.
Luego, ocurre un evento denominado “invasión de la hebra”. Un cromosoma es un doble hélice de ADN. En la recombinación homóloga dos cromosomas buscas sus secuencias homólogas. En una de las hélices, las hebras de separan y esta hebra “invade” la estructura de doble hélice, formando la estructura denominada bucle D.
La cadena del bucle D ha sido desplazada por la invasión de la hebra que presenta la ruptura y se aparea con la hebra complementaria de la doble hélice original.
El paso siguiente es la formación de las uniones de Holliday. Acá, los extremos de las hebras intercambiadas son ligados. Esta unión tiene la capacidad de movilizarse en cualquier dirección. La unión puede romperse y formarse en múltiples ocasiones.
El proceso final de la recombinación es la resolución de estas uniones y existen dos vías o maneras en que la célula lo consigue. Una de ellas es el clivaje de la unión o por un proceso denominado disolución, típico de los organismos eucariotas.
En el primer mecanismo, el rompimiento de la unión de Holliday regenera dos cadenas. En el otro evento de “disolución” ocurre una especie de colapso en la unión.
Una proteína crucial del proceso de recombinación es llamada Rad51 en las células eucariotas, y RecA en Escherichia coli. Funciona en las diferentes fases de la recombinación: antes, durante y después de la sinapsis.
La proteína Rad51 facilita la formación de la conexión física entre el ADN invasor y el ADN templado. En este proceso se genera el ADN heteroduplex.
Rad51, y su homólogo RecA, catalizan la búsqueda de ADN homólogo y el intercambio de hebras de ADN. Estas proteínas tienen la capacidad de unirse cooperativamente a un ADN de simple banda.
También existen genes parálogos (originados a partir de eventos de duplicación génica en un linaje de organismos) de Rad51, llamados Rad55 y Rad57. En los humanos, se han identificado cinco genes parálogos de Rad51 denominados Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2, y Xrcc3.
Como la recombinación requiere de la unión física en los cromosomas, es un paso crucial en la segregación correcta durante la meiosis. Si no se produce una recombinación adecuada, el resultado puede ser una patología importante.
La no disyunción de los cromosomas o errores en la segregación es una de las causas más frecuencias de abortos y anomalías de origen cromosómico, como la trisomía del cromosoma 21, causante del síndrome de Down.
A pesar de que la recombinación suele ser un proceso bastante preciso, las regiones del genoma que están repetidas y los genes que poseen múltiples copias a lo largo del genoma son elementos propensos a un entrecruzamiento desigual.
Este entrecruzamiento produce distintos rasgos con relevancia clínica, entre ellas enfermedades frecuentes como la talasemia y el autismo.
Los biólogos moleculares han sacado provecho del conocimiento del mecanismo de la recombinación homóloga para la creación de distintas tecnologías. Una de estas permite la creación de organismos “knockout”.
Estos organismos modificados genéticamente permiten dilucidar la función de un gen de interés.
Una de las metodologías usadas para la creación de knockouts consiste en la supresión de la expresión del gen específico sustituyendo al gen original por una versión modificada o “dañada”. El gen se intercambia por la versión mutada por medio de recombinación homóloga.
Además de la recombinación homóloga o legítima, existen otros tipos de intercambio de material genético.
Cuando las regiones del ADN que intercambian el material son no alélicas (de cromosomas homólogos) el resultado es la duplicación o la reducción de genes. Este proceso se conoce como recombinación no homóloga o recombinación desigual.
Conjuntamente, el material genético también puede ser intercambiado entre cromátidas hermanas de un mismo cromosoma. Este proceso ocurre tanto en la división meiótica como mitótica, y se le llama intercambio desigual.
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