RICOMBINAZIONE GENETICA: TIPOLOGIE E MECCANISMI - BIOLOGIA - 2025

La ricombinazione genetica è il processo attraverso il quale molecole di frammenti di acido nucleico si scambiano generando una nuova molecola. È molto comune nel DNA, ma l'RNA è anche un substrato per la ricombinazione. La ricombinazione è, dopo la mutazione, la più importante fonte di generazione di variabilità genetica.

Il DNA partecipa a diversi processi biochimici. Durante la replicazione, funge da modello per la generazione di due nuove molecole di DNA. Nella trascrizione, consente di generare molecole di RNA da regioni specifiche controllate da un promotore.

Le fasi generali della ricombinazione del DNA. Juergen Bode, tramite Wikimedia Commons

Ma oltre a questo, il DNA è anche in grado di scambiare frammenti. Attraverso questo processo genera nuove combinazioni che non sono il prodotto dei due processi precedenti, né della fecondazione.

Tutto il processo di ricombinazione comporta la rottura e l'unione delle molecole di DNA che partecipano al processo. Questo meccanismo varia a seconda del substrato di ricombinazione, degli enzimi che partecipano al processo e del meccanismo della sua esecuzione.

La ricombinazione dipende generalmente dall'esistenza di regioni complementari, simili (se non identiche) o omologhe tra le molecole ricombinanti. Nel caso in cui le molecole si ricombinino in processi non guidati dall'omologia, si dice che la ricombinazione non è omologa.

Se l'omologia coinvolge una regione molto corta presente in entrambe le molecole, si dice che la ricombinazione sia specifica del sito.

Definizione

Ciò che chiamiamo omologia nella ricombinazione non si riferisce necessariamente all'origine evolutiva delle molecole partecipanti. Piuttosto, stiamo parlando del grado di somiglianza nella sequenza nucleotidica.

La ricombinazione non riparativa, ad esempio, si verifica negli eucarioti durante il processo di meiosi. Indubbiamente, non può esserci omologia maggiore di quella tra coppie di cromosomi nella stessa cellula.

Questo è il motivo per cui sono chiamati cromosomi omologhi. Tuttavia, ci sono casi in cui il DNA di una cellula scambia materiale con un DNA estraneo. Questi DNA devono essere molto simili alla ricombinazione, ma non devono necessariamente condividere lo stesso antenato (omologia) per ottenere ciò.

Chiasma e crossover

Il sito di attacco e scambio tra due molecole di DNA è chiamato chiasma e il processo stesso è chiamato reticolazione. Durante il crossover viene verificato uno scambio di banda tra i DNA partecipanti.

Questo genera una cointegrazione, che sono due molecole di DNA unite fisicamente in una. Quando la cointegrazione "si risolve", vengono generate due molecole, generalmente modificate (ricombinanti).

"Risolvere", nel contesto della ricombinazione, significa separare le molecole di DNA componenti di un cointegrato.

Tipi di ricombinazione genetica

-Ricombinazione sito-specifica

Nella ricombinazione sito-specifica, due molecole di DNA, generalmente non omologhe, hanno una breve sequenza comune ad entrambe. Questa sequenza è l'obiettivo di uno specifico enzima di splicing.

L'enzima, in grado di riconoscere questa sequenza e non un'altra, la taglia in un particolare sito in entrambe le molecole. Con l'aiuto di altri fattori, scambia le bande di DNA delle due molecole partecipanti e forma una cointegrazione.

Escherichia coli

Questa è la base per la formazione della cointegrazione tra il genoma del batterio Escherichia coli e quello del batteriofago lambda. Un batteriofago è un virus che infetta i batteri.

La formazione di questo cointegrato è effettuata da un enzima codificato nel genoma del virus: lambda integrasi. Riconosce una sequenza comune chiamata attP nel genoma circolare del virus e attB in quello del batterio.

Tagliando entrambe le sequenze in entrambe le molecole, genera segmenti liberi, scambia le bande e unisce i due genomi. Viene quindi formato un cerchio più grande o cointegrato.

Nella cointegrazione, il genoma del virus viene trasportato passivamente dal genoma batterico, con il quale si replica. In questo stato si dice che il virus sia nello stato di provirus e che il batterio sia lisogenico per questo.

Il processo inverso, cioè la risoluzione della cointegrazione, può richiedere molte generazioni o addirittura non verificarsi. Tuttavia, ciò è mediato enzimaticamente da un'altra proteina codificata dal genoma del virus chiamata escisionasi. Quando ciò accade, il virus si separa dalla cointegrazione, si riattiva e provoca la lisi cellulare.

-Ricombinazione omologa

Ricombinazione generalizzata

La ricombinazione omologa avviene tra molecole di DNA che condividono almeno circa 40 nucleotidi di somiglianza completa o quasi completa. Per eseguire il processo di ricombinazione, deve essere coinvolta almeno un'endonucleasi.

Le endonucleasi sono enzimi che producono tagli interni nel DNA. Alcuni lo fanno per procedere a degradare il DNA. Altri, come nel caso della ricombinazione, lo fanno per generare un'ammaccatura nel DNA.

Questo nick unico consente l'elaborazione di una singola banda di DNA con un'estremità libera. Questa estremità libera, orientata da una ricombinasi, consente a una singola banda di invadere un doppio DNA, spostando la banda residente identica ad essa.

Questo è il punto di incrocio tra una molecola di DNA donatore ("invasore") e un altro recettore.

L'enzima (ricombinasi) che svolge il processo di invasione e scambio di bande in Escherichia coli è chiamato RecA. Ci sono altre proteine ​​omologhe nei procarioti, come RadA negli archaea. Negli eucarioti l'enzima equivalente è chiamato RAD51.

Una volta che la fascia invasiva sposta il residente, interagisce con la fascia rimasta semplice nella molecola donatrice. Entrambi i siti sono sigillati dall'azione di una ligasi.

Ora abbiamo un DNA di bande ibride (una banda donatrice e una banda ricevente, di origini diverse) affiancate da DNA donatore e DNA ricevente. I punti di crossover (chiasmi) si muovono in entrambe le direzioni di almeno 200 bp.

Ogni punto di crossover forma la cosiddetta struttura di Holliday (prodotto cruciforme del DNA di un evento di ricombinazione).

Questo DNA cruciforme deve essere risolto da altre endonucleasi. Il DNA chimerico o ibrido di questa struttura può essere risolto in due modi. Se il secondo taglio endonucleotidico si verifica nella stessa banda del primo, non si verifica alcuna ricombinazione. Se il secondo taglio si verifica nell'altra banda, i prodotti risultanti sono ricombinanti.

DNA ricombinante nella struttura di Holliday. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Mao-4armjunction-schematic.png.

Ricombinazione V (D) J

Questo è un tipo di ricombinazione somatica (non meiotica) che contribuisce alla generazione nell'enorme variabilità degli anticorpi del sistema immunitario.

Questa ricombinazione avviene in particolari frammenti dei geni che codificano per le catene polipeptidiche che li definiscono. Viene eseguito dalle cellule B e coinvolge diverse regioni genetiche.

È interessante notare che ci sono parassiti come il Trypanosoma brucei che impiegano un meccanismo di ricombinazione simile per creare variabilità in un antigene di superficie. In questo modo, possono eludere la risposta dell'ospite se l'ospite non riesce a generare l'anticorpo in grado di riconoscere il "nuovo" antigene.

Diversità degli anticorpi creati dalla ricombinazione. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Cambio_clase_recombinacion.PNG

-Ricombinazione non omologa

Infine, ci sono processi di ricombinazione che non dipendono dalla somiglianza nella sequenza delle molecole partecipanti. Negli eucarioti, ad esempio, è molto importante la ricombinazione di estremità non omologhe.

Ciò si verifica con frammenti di DNA che mostrano rotture a doppia banda nel DNA. Questi vengono "riparati" dalla cellula unendoli ad altri frammenti anche con rotture a doppia fascia.

Tuttavia, queste molecole non devono necessariamente essere simili per partecipare a questo processo di ricombinazione. Cioè, riparando il danno, la cellula può unirsi a DNA non correlati, creando così una molecola veramente nuova (ricombinante).

Importanza della ricombinazione

Importanza come causa: replicazione e riparazione del DNA

La ricombinazione garantisce la fedeltà delle informazioni sul DNA durante e dopo il processo di replicazione. La ricombinazione rileva i danni al DNA durante il nuovo processo di fasciatura in questa macromolecola estremamente lunga.

Poiché ogni banda ha la propria informazione e quella di quella complementare, la ricombinazione garantisce che nessuna venga persa. Ciascuno funge da testimone dell'altro. Allo stesso modo, negli organismi diploidi, un cromosoma omologo testimonia il suo fratello e viceversa.

D'altra parte, una volta che il DNA è stato replicato, i meccanismi di riparazione dei danni di questa molecola sono vari. Alcuni sono diretti (la lesione viene agita direttamente) e altri sono indiretti.

I meccanismi di riparazione indiretta dipendono dalla ricombinazione per aver luogo. Cioè, per riparare il danno in una molecola di DNA, viene utilizzata un'altra molecola omologa. Ciò agirebbe nella ricombinazione riparativa come modello da cui ha subito danni.

Importanza di conseguenza: la generazione della variabilità genetica

La ricombinazione è in grado di creare un'enorme variabilità cromosomica durante la meiosi. La ricombinazione somatica genera anche variabilità, come nel caso degli anticorpi nei vertebrati.

In molti organismi la meiosi è gametica. Negli organismi a riproduzione sessuale, la ricombinazione risulta essere uno dei modi più potenti per generare variabilità.

Vale a dire, alla mutazione spontanea e alla segregazione cromosomica, la ricombinazione deve essere aggiunta come un altro elemento che genera variabilità gametica.

L'integrazione dei genomi dei batteriofagi mediante ricombinazione sito-specifica, d'altra parte, ha contribuito al rimodellamento del genoma dei batteri che li ospitano.

Ciò ha contribuito alla generazione della variabilità genomica e all'evoluzione di questo importante gruppo di esseri viventi.

Ricombinazione e salute

Abbiamo già visto che il DNA può essere riparato, ma non cosa lo danneggia. In realtà, quasi tutto può danneggiare il DNA, a partire da una replica difettosa che non viene corretta.

Ma oltre a ciò, il DNA può essere danneggiato dalla luce UV, dalle radiazioni ionizzanti, dai radicali liberi dell'ossigeno prodotti dalla respirazione cellulare e da ciò che mangiamo, fumiamo, respiriamo, ingeriamo o tocchiamo.

Fortunatamente, non devi rinunciare a vivere per proteggere il DNA. Certe cose devono essere abbandonate, ma il grande lavoro è svolto dalla cellula stessa. Questi meccanismi per rilevare i danni al DNA, e la sua riparazione, hanno ovviamente una base genetica, e la loro carenza, enormi conseguenze.

Le malattie correlate a difetti nella ricombinazione omologa includono, ad esempio, le sindromi di Bloom e Werner, il cancro familiare al seno e alle ovaie, ecc.

Riferimenti

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