- Prospettiva storica
- Cos'è la ricombinazione omologa?
- Funzioni e conseguenze della ricombinazione omologa
- Nei batteri
- Meccanismo
- Sinapsi
- Formazione a D-loop
- Formazione di giunzione di Holliday
- Proteine coinvolte
- Anomalie associate ai processi di ricombinazione
- Applicazioni di ricombinazione
- Altri tipi di ricombinazione
- Riferimenti
La ricombinazione omologa è un processo che prevede lo scambio di molecole di DNA tra genoma di sezioni simili o identiche. Le cellule usano la ricombinazione omologa principalmente per riparare le rotture nel materiale genetico, generando variazioni genetiche nelle popolazioni.
In generale, la ricombinazione omologa prevede l'accoppiamento fisico tra aree omologhe del materiale genetico, seguito dalla rottura delle catene che andranno a subire lo scambio, ed infine l'unione delle nuove molecole di DNA combinate.
Ricombinazione tra due cromosomi omologhi.
Fonte: Emw
Le rotture nel DNA devono essere riparate il più rapidamente ed efficacemente possibile. Quando il danno non viene riparato, le conseguenze possono essere gravi e persino letali. Nei batteri, la funzione principale della ricombinazione omologa è riparare queste rotture nel materiale genetico.
La ricombinazione omologa è considerata uno dei principali meccanismi che consentono la stabilità del genoma. È presente in tutti i domini della vita e anche nei virus, quindi è presumibilmente un meccanismo vitale apparso molto presto nell'evoluzione della vita.
Prospettiva storica
Uno dei principi più rilevanti proposti da Gregor Mendel consiste nell'indipendenza nella segregazione dei personaggi. Secondo questa legge, i diversi geni vengono trasmessi da genitore a figlio in modo indipendente.
Tuttavia, nel 1900 era evidente l'esistenza di eccezioni molto marcate a questo principio. I genetisti inglesi Bateson e Punnett hanno dimostrato che molte volte alcuni tratti vengono ereditati insieme, e per questi tratti il principio affermato da Mendel non è valido.
La ricerca successiva è riuscita a chiarire l'esistenza del processo di ricombinazione, in cui le cellule erano in grado di scambiare materiale genetico. Nei casi in cui i geni si ereditavano insieme, il DNA non veniva scambiato a causa della vicinanza fisica tra i geni.
Cos'è la ricombinazione omologa?
La ricombinazione omologa è un fenomeno cellulare che coinvolge lo scambio fisico di sequenze di DNA tra due cromosomi. La ricombinazione coinvolge un insieme di geni noti come geni rec. Questi codificano per diversi enzimi che partecipano al processo.
Le molecole di DNA sono considerate "omologhe" quando condividono sequenze simili o identiche di più di 100 coppie di basi. Il DNA ha piccole regioni che possono differire l'una dall'altra e queste varianti sono note come alleli.
Negli esseri viventi, tutto il DNA è considerato DNA ricombinante. Lo scambio di materiale genetico tra i cromosomi avviene continuamente, mescolando e riorganizzando i geni sui cromosomi.
Questo processo si verifica ovviamente nella meiosi. In particolare nella fase in cui i cromosomi si accoppiano nella prima divisione cellulare. In questa fase avviene lo scambio di materiale genetico tra i cromosomi.
Storicamente, questo processo è designato in letteratura utilizzando la parola anglosassone crossing over. Questo evento è uno dei risultati della ricombinazione omologa.
La frequenza di incrocio tra due geni dello stesso cromosoma dipende principalmente dalla distanza che esiste tra loro; minore è la distanza fisica tra loro, minore è la frequenza di scambio.
Funzioni e conseguenze della ricombinazione omologa
Il materiale genetico è costantemente esposto a danni, causati da sorgenti endogene ed esogene, come ad esempio le radiazioni.
Si stima che le cellule umane abbiano un numero significativo di lesioni al DNA, nell'ordine da decine a centinaia al giorno. Queste lesioni devono essere riparate per evitare potenziali mutazioni deleterie, blocchi di replicazione e trascrizione e danni a livello cromosomico.
Da un punto di vista medico, un danno al DNA non riparato correttamente provoca lo sviluppo di tumori e altre patologie.
La ricombinazione omologa è un evento che consente la riparazione del DNA, consentendo il recupero delle sequenze perse, utilizzando l'altro filamento (omologa) di DNA come stampo.
Questo processo metabolico è presente in tutte le forme di vita, fornendo un meccanismo ad alta fedeltà che consente di riparare "lacune" nel DNA, rotture a doppio filamento e legami incrociati tra filamenti di DNA.
Una delle conseguenze più rilevanti della ricombinazione è la generazione di nuove variazioni genetiche. Insieme alle mutazioni, sono i due processi che generano la variazione negli esseri viventi: ricorda che la variazione è la materia prima per l'evoluzione.
Inoltre, fornisce un meccanismo per reimpostare i fork di replica che sono stati danneggiati.
Nei batteri
Nei batteri si verificano frequenti eventi di trasferimento genico orizzontale. Questi sono classificati come coniugazione, trasformazione e trasduzione. Qui, i procarioti prendono il DNA da un altro organismo e persino da specie diverse.
Durante questi processi, avviene la ricombinazione omologa tra la cellula ricevente e la cellula donatrice.
Meccanismo
La ricombinazione omologa inizia con la rottura in uno dei filamenti della molecola di DNA cromosomico. Successivamente, si verificano una serie di passaggi catalizzati da più enzimi.
L'estremità 3 'in cui avviene il taglio è invasa dal doppio filamento omologo di DNA. Il processo di invasione è cruciale. Per "catena omologa" si intendono le porzioni dei cromosomi che hanno gli stessi geni in un ordine lineare, sebbene le sequenze nucleotidiche non debbano essere identiche.
Sinapsi
Questa invasione del filo pone cromosomi omologhi uno di fronte all'altro. Questo fenomeno di incontro dei thread è chiamato sinapsi (da non confondere con la sinapsi nei neuroni, qui il termine è usato con un altro significato).
La sinapsi non implica necessariamente un contatto diretto tra le due sequenze omologhe, il DNA può continuare a muoversi per un po 'fino a quando non trova la porzione omologa. Questo processo di ricerca è chiamato allineamento omologa.
Formazione a D-loop
Quindi, si verifica un evento chiamato "invasione dei filamenti". Un cromosoma è una doppia elica del DNA. Nella ricombinazione omologa, due cromosomi cercano le loro sequenze omologhe. In una delle eliche, i fili si separano e questo filo "invade" la struttura a doppia elica, formando la struttura chiamata D loop.
Il filo D-loop è stato spostato dall'invasione del filo che si rompe e si accoppia con il filo complementare della doppia elica originale.
Formazione di giunzione di Holliday
Il passo successivo è la formazione dei sindacati Holliday. Qui, le estremità dei fili scambiati sono legate insieme. Questa unione ha la capacità di muoversi in qualsiasi direzione. L'articolazione può rompersi e formarsi più volte.
Il processo finale di ricombinazione è la risoluzione di queste unioni e ci sono due modi o modi in cui la cellula ottiene ciò. Uno di questi è la scissione dell'unione o mediante un processo chiamato dissoluzione, tipico degli organismi eucarioti.
Nel primo meccanismo, la rottura della giunzione di Holliday rigenera due catene. Nell'altro evento di "dissoluzione", si verifica una sorta di collasso nel sindacato.
Proteine coinvolte
Una proteina cruciale nel processo di ricombinazione è chiamata Rad51 nelle cellule eucariotiche e RecA in Escherichia coli. Funziona nelle diverse fasi della ricombinazione: prima, durante e dopo la sinapsi.
La proteina Rad51 facilita la formazione della connessione fisica tra il DNA invasore e il DNA temperato. In questo processo viene generato il DNA eteroduplex.
Rad51, e la sua controparte RecA, catalizzano la ricerca di DNA omologhi e lo scambio di filamenti di DNA. Queste proteine hanno la capacità di legarsi in modo cooperativo al DNA a banda singola.
Esistono anche geni paraloghi (originati da eventi di duplicazione genica in una stirpe di organismi) di Rad51, chiamati Rad55 e Rad57. Negli esseri umani, sono stati identificati cinque geni paraloghi Rad51 chiamati Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 e Xrcc3.
Anomalie associate ai processi di ricombinazione
Poiché la ricombinazione richiede un legame fisico sui cromosomi, è un passaggio cruciale per una corretta segregazione durante la meiosi. Se non si verifica una ricombinazione adeguata, il risultato può essere una patologia grave.
La non disgiunzione dei cromosomi o gli errori di segregazione è una delle cause più frequenti di aborti e anomalie di origine cromosomica, come la trisomia del cromosoma 21, che causa la sindrome di Down.
Sebbene la ricombinazione sia di solito un processo abbastanza preciso, le regioni del genoma che si ripetono e i geni che hanno più copie in tutto il genoma sono inclini a un crossover irregolare.
Questo incrocio produce diversi tratti clinicamente rilevanti, comprese malattie comuni come la talassemia e l'autismo.
Applicazioni di ricombinazione
I biologi molecolari hanno sfruttato la conoscenza del meccanismo della ricombinazione omologa per creare diverse tecnologie. Uno di questi consente la creazione di organismi "knockout".
Questi organismi geneticamente modificati consentono di chiarire la funzione di un gene di interesse.
Una delle metodologie utilizzate per la creazione di knockout consiste nella soppressione dell'espressione del gene specifico, sostituendo il gene originale con una versione modificata o "danneggiata". Il gene viene scambiato con la versione mutata mediante ricombinazione omologa.
Altri tipi di ricombinazione
Oltre alla ricombinazione omologa o legittima, esistono altri tipi di scambio di materiale genetico.
Quando le regioni del DNA che si scambiano il materiale sono non alleliche (cromosomi omologhi) il risultato è la duplicazione o la riduzione dei geni. Questo processo è noto come ricombinazione non omologa o ricombinazione disuguale.
Insieme, il materiale genetico può anche essere scambiato tra cromatidi fratelli sullo stesso cromosoma. Questo processo si verifica sia nella divisione meiotica che in quella mitotica ed è chiamato scambio diseguale.
Riferimenti
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