Recombinación genética: tipos y mecanismos
La recombinación genética es el proceso por el que moléculas de ácidos nucleicos intercambian fragmentos generando una molécula nueva. Es muy común en el ADN, pero el ARN también es sustrato de recombinación. La recombinación es, después de la mutación, la fuente más importante de generación de variabilidad genética.
El ADN participa en distintos procesos bioquímicos. Durante la replicación, sirve como molde para la generación de dos moléculas de ADN nuevas. En el de transcripción, permite generar moléculas de ARN a partir de regiones específicas controladas por un promotor.
Pero además de ello, el ADN es también capaz de intercambiar fragmentos. Mediante este proceso genera nuevas combinaciones que no son producto de los dos procesos anteriores, ni de la fecundación.
Todo proceso de recombinación involucra ruptura y unión de las moléculas de ADN que participan en el proceso. Este mecanismo varía dependiendo de cuál es el sustrato de recombinación, de las enzimas que participan en el proceso, y del mecanismo de su ejecución.
La recombinación generalmente depende de la existencia de regiones complementarias, similares (sino idénticas), u homólogas entre las moléculas que recombinan. En el caso que recombinen moléculas en procesos no guiados por la homología, se dice que la recombinación es no homóloga.
Si la homología involucra una región muy corta presente en ambas moléculas, se dice que la recombinación es sitio-específica.
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Lo que llamamos homología en recombinación no necesariamente alude al origen evolutivo de las moléculas participantes. Hablamos más bien del grado de similitud en la secuencia de nucleótidos.
La recombinación no reparativa, por ejemplo, se verifica en eucariotas durante el proceso de meiosis. Indudablemente, no puede haber mayor homología que entre pares de cromosomas en una misma célula.
Por eso se llaman cromosomas homólogos. Sin embargo, hay casos en los que el ADN de una célula intercambia material con un ADN foráneo. Estos ADNs deben ser muy similares para recombinar, pero no necesariamente deben compartir un mismo ancestro (homología) para lograrlo.
El sitio de unión e intercambio entre dos moléculas de ADN se denomina quiasma, y al proceso como tal, entrecruzamiento. Durante el entrecruzamiento se verifica un intercambio de bandas entre los ADNs participantes.
Esto genera un cointegrado, que son dos moléculas de ADN físicamente unidas en una sola. Al “resolverse” el cointegrado, se generan dos moléculas, generalmente cambiadas (recombinantes).
“Resolver”, en el contexto de la recombinación, es separar a las moléculas de ADN componentes de un cointegrado.
En la recombinación sitio-específica dos moléculas de ADN, generalmente no homólogas, presentan una corta secuencia común a ambas. Esta secuencia es blanco de una enzima de corte y empalme específica.
La enzima, capaz de reconocer esta secuencia y no otra, la corta en un sitio particular en ambas moléculas. Con ayuda de algunos otros factores, intercambia las bandas de ADN de las dos moléculas participantes y forma un cointegrado.
Escherichia coli y lambda
Esta es la base de la formación del cointegrado entre el genoma de la bacteria Escherichia coli y el del bacteriófago lambda. Un bacteriófago es un virus que infecta bacterias.
La formación de este cointegrado la lleva a cabo una enzima codificada en el genoma del virus: la integrasa de lambda. Esta reconoce una secuencia común que se llama attP en el genoma circular del virus, y attB en el de la bacteria.
Al cortar ambas secuencias en ambas moléculas, genera segmentos libres, intercambia las bandas y une los dos genomas. Se forma entonces un círculo más grande, o cointegrado.
En el cointegrado, el genoma del virus es portado de manera pasiva por el genoma bacteriano, con el cual se replica. En este estado se dice que el virus está en estado de provirus, y que la bacteria es lisógena para el mismo.
El proceso inverso, es decir, de resolución del cointegrado, puede demorar muchas generaciones- o incluso no ocurrir. Sin embargo, de hacerlo, es mediado enzimáticamente por otra proteína codificada por el genoma del virus llamada excisionasa. Al ocurrir esto, el virus se separa del cointegrado, se reactiva y provoca la lisis celular.
Recombinación generalizada
La recombinación homóloga se verifica entre moléculas de ADN que comparten al menos unos 40 nucleótidos de completa o casi completa similitud. A fin de llevar a cabo el proceso de recombinación debe participar al menos una endonucleasa.
Las endonucleasas son enzimas que generan cortes internos en el ADN. Algunas lo hacen para proceder a degradar el ADN. Otras, como en el caso de la recombinación, lo hacen para generar una mella en el ADN.
Esta mella única permite procesar un ADN simple banda con un extremo libre. Este extremo libre, orientado por una recombinasa, permite que una banda simple invada a un ADN doble desplazando a la banda residente idéntica a ella.
Este es el punto de entrecruzamiento o crossing-over, entre una molécula de ADN donante (“invasor”) y otro receptor.
La enzima (recombinasa) que lleva a cabo el proceso de invasión e intercambio de bandas en Escherichia coli se llama RecA. Existen otras proteínas homólogas en procariotas, como RadA en arqueas. En eucariotas la enzima equivalente se denomina RAD51.
Una vez que la banda invasora desplaza a la residente, esta interactúa con la banda que quedó simple en la molécula donante. Ambos puntos se sellan por acción de una ligasa.
Ahora contamos con un ADN de bandas híbridas (una banda donante y una banda receptora, de distintos orígenes) flanqueados por ADN donante y ADN receptor. Los puntos de entrecruzamiento (quiasmas) se desplazan en ambas direcciones al menos unos 200 pb.
Cada punto de entrecruzamiento forma lo que se conoce como estructura de Holliday (ADN cruciforme producto de un evento de recombinación).
Este ADN cruciforme debe ser resuelto por otras endonucleasas. El ADN híbrido o quimérico de esta estructura se puede resolver de dos maneras. Si el segundo corte endonucleotídico ocurre en la misma banda en la que ocurrió el primero, no se genera recombinación. Si el segundo corte ocurre en la otra banda, los productos resultantes sí son recombinantes.
Recombinación V(D)J
Este es un tipo de recombinación somática (no meiótica) que contribuye a la generación en la enorme variabilidad de los anticuerpos del sistema inmune.
Esta recombinación se verifica en fragmentos particulares de los genes que codifican para las cadenas polipeptídicas que los definen. La llevan a cabo las células B e involucra distintas regiones genéticas.
Curiosamente, existen parásitos como Trypanosoma brucei que emplean un mecanismo de recombinación similar para crear variabilidad en un antígeno de superficie. De esta manera, pueden evadir la respuesta del hospedador si este no logra generar el anticuerpo capaz de reconocer el antígeno “nuevo”.
Finalmente, hay procesos de recombinación que no dependen de la similitud en la secuencia de las moléculas participantes. En eucariotas es muy importante, por ejemplo, la recombinación de extremos no homológos.
Esto ocurre con fragmentos de ADN que presentan rupturas doble banda en el ADN. Estos son “reparados” por la célula uniéndolos a otros fragmentos igualmente con rupturas doble banda.
Sin embargo, estas moléculas no necesariamente deben ser similares para participar en este proceso de recombinación. Es decir, que al reparar el daño, la célula puede unir ADNs no relacionados, creando así una molécula (recombinante)realmente nueva.
La recombinación garantiza la fidelidad de la información del ADN durante y después del proceso de replicación. La recombinación detecta daños en el ADN durante el proceso de creación de bandas nuevas en esta macromolécula extremadamente larga.
Como cada banda tiene su propia información, y la de su complementaria, la recombinación garantiza que ninguna se pierda. Cada una actúa como testigo de la otra. De manera similar, en los organismos diploides, un cromosoma homólogo es testigo de su hermano, y viceversa.
Por otro lado, una vez ya replicado el ADN, los mecanismos de reparación del daño de esta molécula son variados. Unos son directos (se actúa directamente sobre la lesión) y otros son indirectos.
Los mecanismos de reparación indirectos dependen de la recombinación para llevarse a cabo. Es decir, para reparar el daño en una molécula de ADN se emplea a otra molécula homóloga. Esta actuaría en la recombinación reparativa como molde de la que ha sufrido daño.
La recombinación es capaz de crear una enorme variabilidad cromosómica durante la meiosis. La recombinación somática también genera variabilidad, como en el caso de los anticuerpos en los vertebrados.
En muchos organismos la meiosis es gamética. En los organismos con reproducción sexual, la recombinación resulta siendo una de las maneras más poderosas de generar variabilidad.
Es decir, a la mutación espontánea y la segregación de cromosomas hay que sumar la recombinación como otro elemento generador de variabilidad gamética.
La integración de genomas de bacteriófagos por recombinación sitio-específica, por otro lado, ha contribuido a la remodelación del genoma de sus bacterias hospederas.
Esto ha contribuido a la generación de variabilidad genómica, y evolución, de este importante grupo de seres vivos.
Ya hemos visto que el ADN puede ser reparado, pero no qué lo daña. En realidad, casi todo puede dañar al ADN, comenzando por una replicación defectuosa que no se corrige.
Pero más allá de ello, al ADN lo puede dañar la luz UV, la radiación ionizante, los radicales de oxígeno libres producto de la respiración celular, y lo que comemos, fumamos, respiramos, ingerimos o tocamos.
Afortunadamente, no hay que renunciar a vivir para proteger al ADN. Se debe renunciar a ciertas cosas, pero el trabajo grande lo hace la propia célula. Esos mecanismos de detección de daño al ADN, y su reparación, tienen obviamente una base genética, y su deficiencia, enormes consecuencias.
Las enfermedades relacionadas con defectos en la recombinación homóloga incluyen, por ejemplo, los síndromes Bloom y Werner, el cáncer familiar de mamas y ovarios, etc.
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