miniatura| 275px |Figura 1. O cromosoma 1 despois de sufrir a recombinación homóloga meiótica. Durante a meiose, a recombinación homóloga pode producir novas combinacións de xenes como se mostra aquí entre cromosomas homólogos (copias similares pero non idénticas dun cromosoma) do par cromosómico 1. A recombinación homóloga é o tipo máis coñecido e común de recombinación xenética que consiste no intercambio de secuencias de nucleótidos entre dúas moléculas similares ou idénticas de ADN. A recombinación homóloga ocorre durante a meiose (tipo de división celular na que, nos animais, se forman os gametos) e na reparación do ADN e no intercambio de xenes entre microorganismos.
Na recombinación homóloga meiótica os cromosomas homólogos (do mesmo par cromosómico) intercambian fragmentos, orixinando novas combinacións de secuencias de ADN. As novas combinacións de ADN supoñen a introdución de variabilidade xenética na descendencia, o cal permitirá que as poboacións se adapten durante o decurso da evolución. As células utilizan tamén moi extensamente a recombinación homóloga para repararen con precisión as roturas que afectan ás dúas cadeas do ADN, denominadas roturas de dobre cadea. A recombinación homóloga utilízase tamén na transferencia horizontal de xenes para intercambiar material xenético entre distintas cepas de bacterias e virus.
Aínda que a recombinación homóloga varía moito entre diferentes organismos e tipos celulares, a maioría das formas implican os mesmos pasos básicos. Despois de producirse unha rotura de dobre cadea no ADN, córtanse e sepáranse as seccións de ADN situadas arredor dos extremos 5' do punto de rotura, proceso chamado resección. No paso seguinte chamado invasión da febra, un extremo 3' colgante da molécula rota de ADN "invade" despois unha molécula similar ou idéntica de ADN que non está rota. Despois da invasión da febra, as dúas moléculas de ADN quedan conectadas por dúas estruturas con forma de cruz chamadas unións de Holliday. Dependendo de como os encimas cortan estas dúas unións, o tipo de recombinación homóloga que ocorre na meiose poderá dar lugar ou ben a un sobrecruzamento cromosómico ou non haber sobrecruzamento. A recombinación homóloga que ocorre durante a reparación do ADN tende a orixinar produtos sen sobrecruzamento, o que restaura as moléculas de ADN danadas tal como estaban antes da rotura de dobre cadea.
A recombinación homóloga é un proceso conservado nos seres vivos, que se pode atopar nos tres dominios da vida e nos virus, polo que é un mecanismo case universal. O descubrimento en protistas de xenes para a recombinación homóloga interpretouse como unha evidencia de que a meiose xurdiu moi cedo na evolución dos eucariotas. Como a súa disfunción está fortemente asociada cun incremento da susceptibilidade a varios tipos de cancro, as proteínas que facilitan a recombinación homóloga están sendo investigadas activamente. A recombinación homóloga utilízase tamén no chamado gene targeting, unha técnica para introducir cambios xenéticos nos organismos. Polo desenvolvemento desta técnica, os investigadores Mario Capecchi, Martin Evans e Oliver Smithies foron galardoados co Premio Nobel de Medicina e Fisioloxía de 2007.
Historia miniatura | Figura 2. Unha das primeiras ilustracións do sobrecruzamento de Thomas Hunt Morgan. A comezos da década de 1900, William Bateson e Reginald Punnett encontraron unha excepción nun dos principios da herdanza que foran orixinalmente descritos por Gregor Mendel na década de 1860. A noción de Mendel era que os trazos xenéticos se distribuían independentemente cando pasaban de pais a fillos; por exemplo, a cor dos ollos dun gato e a súa lonxitude do rabo herdábanse independentemente unha da outra. Pero Bateson e Punnett atoparon que certos xenes asociados con trazos físicos poden herdarse conxuntamente, é dicir, que están ligados xeneticamente. En 1911, Thomas Hunt Morgan, despois de observar que os trazos ligados en certas ocasións tamén se podían herdar independentemente, suxeriu que poderían ocorrer "sobrecruzamentos" entre os xenes ligados, nos cales un dos xenes ligados pasaba fisicamente a un cromosoma diferente. Dúas décadas despois, Barbara McClintock e Harriet Creighton demostraron que o sobrecruzamento cromosómico ten lugar durante a meiose, (o proceso de división celular mediante o cal se forman os espermatozoides e óvulos). No mesmo ano en que se fixo o descubrimento de McClintock, Curt Stern demostrou que o sobrecruzamento, máis tarde chamado "recombinación", podía tamén ocorrer en células somáticas como os glóbulos brancos do sangue e as células da pel, que se dividen por mitose.
En 1947, o microbiólogo Joshua Lederberg demostrou que as bacterias, que se pensaba que só se reproducían asexualmente por fisión binaria, podían tamén realizar unha recombinación xenética similar á da reprodución sexual. O seu traballo realizouse coa bacteria E. coli, que se converteu nun organismo modelo para estudos xenéticos, e contribuíu a que Lederberg gañase o premio Nobel de Medicina de 1958. En 1964 Robin Holliday, baseándose en estudos en fungos, propuxo un modelo para a recombinación na meiose no que incluíu detalles fundamentais sobre o posible funcionamento do proceso, como o intercambio de material entre os cromosomas por medio das unións ou estruturas de Holliday. En 1983, Jack Szostak e colegas presentaron un modelo agora chamado vía DSBR, que podía explicar observacións non explicadas polo modelo de Holliday. Durante a seguinte década, os experimentos en Drosophila, lévedos e células de mamíferos utilizáronse para presentar outros modelos de recombinación homóloga, chamados vías SDSA, que non sempre dependen das unións de Holliday.
En eucariotas A recombinación homóloga é esencial na división celular dos eucariotas (plantas, animais, fungos e protistas). Nas células que se dividen por mitose, a recombinación homóloga repara roturas de dobre cadea no ADN causadas por radiacións ionizantes ou substancias químicas que danan o ADN. Se estas roturas de dobre cadea non se reparasen poderían causar rearranxos a grande escala nos cromosomas nas células somáticas, o cal podería orixinar cancro.
Ademais de reparar o ADN, a recombinación homóloga contribúe tamén a producir diversidade xenética cando as células se dividen na meiose para orixinar os gametos nos animais, pole e ovocélulas nas plantas, e esporas en certas plantas e fungos. A diversidade créase por recombinación por medio do sobrecruzamento cromosómico, na cal se intercambian rexións similares pero non idénticas do ADN entre cromosomas homólogos. Isto crea novas combinacións de xenes que poden ser beneficiosas, e poden darlle á descendencia unha vantaxe evolutiva. O sobrecruzamento cromosómico empeza cando unha proteína chamada Spo11 produce unha rotura de dobre cadea nun punto determinado do ADN. Estes sitios non están localizados aleatoriamente nos cromosomas, senón que xeralmente se encontran en rexións promotoras interxénicas e preferentemente en zonas ricas en GC. Estes sitios onde se producen as roturas de dobre cadea aparecen a miúdo en puntos quentes de recombinación, que son rexións dos cromosomas dunha lonxitude de 1.000–2.000 pares de bases, que presentan unha alta frecuencia de recombinación. A ausencia de puntos quentes de recombinación entre dous xenes do mesmo cromosoma a miúdo supón que eses xenes os herdarán as futuras xeracións en igual proporción. Isto representa que hai un ligamento entre os dous xenes maior do que se esperaría por distribución independente mendeliana durante a meiose.
A recombinación no ciclo celular 250px | miniatura | Figura 3. A recombinación homóloga repara o ADN antes de que a célula entre na mitose (fase M do ciclo). Ocorre só durante e pouco despois da replicación do ADN, durante as fases S e G2 do ciclo celular. As roturas de dobre cadea poden ser reparadas por medio da recombinación homóloga ou pola unión de extremos non homólogos (NHEJ, do inglés non-homologous end joining). A unión de extremos non homólogos é un mecanismo de reparación do ADN que, a diferenza da recombinación homóloga, non necesita que exista unha longa secuencia homóloga para guiar a reparación. A fase do ciclo celular na que se atopa a célula é a que determina en grande medida se se utilizará a recombinación homóloga ou ben a unión de extremos non homólogos para reparar as roturas de dobre cadea. A recombinación homóloga repara o ADN antes de que a célula entre na mitose (fase M). Ten lugar durante e pouco despois da replicación do ADN, durante as fases S e G2 do ciclo celular, cando as cromátides irmás son máis accesibles. Comparados cos cromosomas homólogos, que son similares a outros cromosomas pero que a miúdo teñen alelos diferentes, as cromátides irmás son un molde ideal para a recombinación homóloga porque son copias idénticas dun determinado cromosoma. A diferenza da recombinación homóloga, a unión de extremos non homólogos ocorre predominantemente na fase G1 do ciclo celular, cando a célula está a crecer pero non está aínda preparada para dividirse. Ocorre tamén menos frecuentemente despois da fase G1, pero mantén polo menos algunha actividade en todas as fases do ciclo celular. Os mecanismos que regulan a recombinación homóloga e a unión de extremos non homólogos ao longo do ciclo celular varían moito entre as especies.
As quinases dependentes de ciclina (CDKs), que modifican a actividade doutras proteínas ao engadirlles grupos fosfato (fosforilándoas), son reguladores importantes na recombinación eucariótica. Cando comeza a replicación do ADN nos lévedos, a quinase dependente de ciclina Cdc28 inicia a recombinación homóloga fosforilando a proteína Sae2. Despois de ser activada pola adición do fosfato, Sae2 usa a súa actividade de endonuclease para facer un corte cerca dunha rotura de dobre cadea do ADN. Isto permite que se una ao ADN un complexo proteico formado por tres compoñentes chamado complexo MRX, e comece unha serie de reaccións dirixidas por proteínas que realizan o intercambio de material entre dúas moléculas de ADN.
Modelos Dous modelos primarios para explicar como a recombinación homóloga repara as roturas de dobre cadea do ADN son a vía de reparación de roturas de dobre cadea (DSBR, do inglés double-strand break repair, ás veces tamén chamada modelo de unión de Holliday dobre ou DHJ) e a vía de annealing de febras dependente de síntese (SDSA, do inglés synthesis-dependent strand annealing). Ambas as vías son similares nos seus pasos iniciais. Despois de que se produce unha rotura de dobre cadea, o complexo MRX (en humanos chamado complexo MRN) únese ao ADN en cada lado da rotura. Seguidamente, realízase un novo corte en dúas fases, no cal se corta o ADN que está arredor dos extremos 5' da rotura. No primeiro paso deste corte, o complexo MRX recruta a proteína Sae2. As dúas proteínas despois fan o corte (resección) dos extremos 5' a cada lado da rotura para crear un curto tramo 3' monocatenario que sobresae. No segundo paso, a helicase Sgs1 e a Exo1 e a Dna2 continúan o corte 5'→3'. A helicase Sgs1 desenrola a dobre hélice do ADN bicatenario, mentres que a actividade nuclease de Exo1 e Dna2 corta o tramo de ADN monocatenario producido pola Sgs1.
miniatura|325px | esquerda |Figura 4. Os pasos iniciais das vías DSBR e SDSA son iguais, pero os posteriores son diferentes. A vía DSBR a miúdo dá lugar a sobrecruzamento cromosómico (abaixo á esquerda), mentres que a SDSA sempre orixina produtos sen sobrecruzamento (abaixo á dereita).