Recombinación genética

La recombinación genética (también conocida como reorganización genética) es el intercambio de material genético entre diferentes organismos que conduce a la producción de descendientes con combinaciones de rasgos que difieren de los que se encuentran en cualquiera de los padres. En los eucariotas, la recombinación genética durante la meiosis puede conducir a un nuevo conjunto de información genética que puede transmitirse de padres a hijos. La mayor parte de la recombinación ocurre naturalmente y se puede clasificar en dos tipos: (1) recombinación entre cromosomas, que ocurre a través de una variedad independiente de alelos cuyos loci están en diferentes cromosomas (orientación aleatoria de pares de cromosomas homólogos en la meiosis I); & (2) i nt ra cromosómicorecombinación, que ocurre a través del entrecruzamiento.

Durante la meiosis en eucariotas, la recombinación genética implica el apareamiento de cromosomas homólogos. Esto puede ser seguido por la transferencia de información entre los cromosomas. La transferencia de información puede ocurrir sin intercambio físico (una sección de material genético se copia de un cromosoma a otro, sin que se cambie el cromosoma donante) (ver vía SDSA en la Figura); o por la ruptura y unión de hebras de ADN, lo que forma nuevas moléculas de ADN (ver vía DHJ en la figura).

La recombinación también puede ocurrir durante la mitosis en eucariotas donde normalmente involucra a los dos cromosomas hermanos formados después de la replicación cromosómica. En este caso, no se producen nuevas combinaciones de alelos ya que los cromosomas hermanos suelen ser idénticos. En la meiosis y la mitosis, se produce una recombinación entre moléculas similares de ADN (secuencias homólogas). En la meiosis, los cromosomas homólogos que no son hermanos se aparean entre sí de modo que la recombinación ocurre característicamente entre los homólogos que no son hermanos. Tanto en las células meióticas como en las mitóticas, la recombinación entre cromosomas homólogos es un mecanismo común utilizado en la reparación del ADN.

Conversión de genes: el proceso durante el cual las secuencias homólogas se vuelven idénticas también se incluye en la recombinación genética.

La recombinación genética y la reparación del ADN recombinante también ocurren en bacterias y arqueas, que utilizan la reproducción asexual.

La recombinación se puede inducir artificialmente en entornos de laboratorio (in vitro), produciendo ADN recombinante para fines que incluyen el desarrollo de vacunas.

La recombinación V(D)J en organismos con un sistema inmunitario adaptativo es un tipo de recombinación genética específica del sitio que ayuda a las células inmunitarias a diversificarse rápidamente para reconocer y adaptarse a nuevos patógenos.

Sinapsis

Durante la meiosis, la sinapsis (el emparejamiento de cromosomas homólogos) normalmente precede a la recombinación genética.

Mecanismo

La recombinación genética es catalizada por muchas enzimas diferentes. Las recombinasas son enzimas clave que catalizan el paso de transferencia de cadena durante la recombinación. RecA, la recombinasa principal que se encuentra en Escherichia coli, es responsable de la reparación de roturas de doble cadena (DSB) del ADN. En la levadura y otros organismos eucariotas, se requieren dos recombinasas para reparar los DSB. La proteína RAD51 es necesaria para la recombinación mitótica y meiótica, mientras que la proteína de reparación del ADN, DMC1, es específica de la recombinación meiótica. En las arqueas, el ortólogo de la proteína bacteriana RecA es RadA.Recombinación bacteriana

En las bacterias hay:

• recombinación bacteriana regular, así como transferencia no efectiva de material genético, expresada como
• transferencia fallida o transferencia abortiva, que es cualquier transferencia de ADN bacteriano de la célula donante a receptores que han establecido el ADN entrante como parte del material genético del receptor. Se registró transferencia abortiva en la siguiente transducción y conjugación. En todos los casos, el fragmento transmitido se diluye con el crecimiento del cultivo.

Cruce cromosómico

En eucariotas, la recombinación durante la meiosis se ve facilitada por el cruce cromosómico. El proceso de cruce conduce a que la descendencia tenga diferentes combinaciones de genes de las de sus padres y, ocasionalmente, puede producir nuevos alelos quiméricos. La mezcla de genes provocada por la recombinación genética produce una mayor variación genética. También permite que los organismos que se reproducen sexualmente eviten el trinquete de Muller, en el que los genomas de una población asexual tienden a acumular más mutaciones perjudiciales con el tiempo que otros tipos de mutaciones beneficiosas o inversas.

El cruce cromosómico implica la recombinación entre los cromosomas emparejados heredados de cada uno de los padres, que generalmente ocurre durante la meiosis. Durante la profase I (etapa de paquiteno) las cuatro cromátidas disponibles están en estrecha formación entre sí. Mientras están en esta formación, los sitios homólogos en dos cromátidas pueden emparejarse estrechamente entre sí y pueden intercambiar información genética.

Debido a que la recombinación puede ocurrir con poca probabilidad en cualquier ubicación a lo largo del cromosoma, la frecuencia de recombinación entre dos ubicaciones depende de la distancia que las separa. Por lo tanto, para genes lo suficientemente distantes en el mismo cromosoma, la cantidad de entrecruzamiento es lo suficientemente alta como para destruir la correlación entre alelos.

El seguimiento del movimiento de los genes resultantes de los cruces ha resultado muy útil para los genetistas. Debido a que dos genes que están muy juntos tienen menos probabilidades de separarse que los genes que están más separados, los genetistas pueden deducir aproximadamente qué tan separados están dos genes en un cromosoma si conocen la frecuencia de los entrecruzamientos. Los genetistas también pueden usar este método para inferir la presencia de ciertos genes. Se dice que los genes que normalmente permanecen juntos durante la recombinación están vinculados. Un gen en un par enlazado a veces se puede usar como marcador para deducir la presencia de otro gen. Esto se usa típicamente para detectar la presencia de un gen que causa una enfermedad.

La frecuencia de recombinación entre dos loci observados es el valor de cruce. Es la frecuencia de entrecruzamiento entre dos loci (marcadores) de genes vinculados y depende de la distancia mutua de los loci genéticos observados. Para cualquier conjunto fijo de condiciones genéticas y ambientales, la recombinación en una región particular de una estructura de enlace (cromosoma) tiende a ser constante, y lo mismo ocurre con el valor de entrecruzamiento que se utiliza en la producción de mapas genéticos.

Conversión de genes

En la conversión de genes, una sección de material genético se copia de un cromosoma a otro, sin que se cambie el cromosoma donante. La conversión de genes ocurre a alta frecuencia en el sitio real del evento de recombinación durante la meiosis. Es un proceso por el cual una secuencia de ADN se copia de una hélice de ADN (que permanece sin cambios) a otra hélice de ADN, cuya secuencia se altera. La conversión de genes a menudo se ha estudiado en cruces fúngicos donde los 4 productos de meiosis individuales pueden observarse convenientemente. Los eventos de conversión de genes se pueden distinguir como desviaciones en una meiosis individual del patrón normal de segregación 2:2 (por ejemplo, un patrón 3:1).

Recombinación no homóloga

La recombinación puede ocurrir entre secuencias de ADN que no contienen homología de secuencia. Esto puede causar translocaciones cromosómicas, que a veces conducen al cáncer.

En células B

Las células B del sistema inmunológico realizan una recombinación genética, llamada cambio de clase de inmunoglobulina. Es un mecanismo biológico que cambia un anticuerpo de una clase a otra, por ejemplo, de un isotipo llamado IgM a un isotipo llamado IgG.

Ingeniería genética

En ingeniería genética, la recombinación también puede referirse a la recombinación artificial y deliberada de fragmentos dispares de ADN, a menudo de diferentes organismos, creando lo que se denomina ADN recombinante. Un excelente ejemplo de tal uso de la recombinación genética es la selección de genes, que se puede usar para agregar, eliminar o cambiar los genes de un organismo. Esta técnica es importante para los investigadores biomédicos ya que les permite estudiar los efectos de genes específicos. Las técnicas basadas en la recombinación genética también se aplican en la ingeniería de proteínas para desarrollar nuevas proteínas de interés biológico.

Reparación recombinacional

Los daños en el ADN causados ​​por una variedad de agentes exógenos (p. ej., luz ultravioleta, rayos X, agentes químicos de entrecruzamiento) pueden repararse mediante reparación recombinante homóloga (HRR). Estos hallazgos sugieren que los daños en el ADN que surgen de procesos naturales, como la exposición a especies reactivas de oxígeno que son subproductos del metabolismo normal, también son reparados por HRR. En los seres humanos, las deficiencias en los productos génicos necesarios para la HRR durante la meiosis probablemente causen infertilidad. En los seres humanos, las deficiencias en los productos génicos necesarios para la HRR, como BRCA1 y BRCA2, aumentan el riesgo de cáncer (ver trastorno por deficiencia en la reparación del ADN).

En las bacterias, la transformación es un proceso de transferencia de genes que normalmente ocurre entre células individuales de la misma especie bacteriana. La transformación implica la integración del ADN donante en el cromosoma receptor mediante recombinación. Este proceso parece ser una adaptación para reparar daños en el ADN en el cromosoma receptor por HRR. La transformación puede proporcionar un beneficio a las bacterias patógenas al permitir la reparación del daño en el ADN, en particular los daños que se producen en el entorno inflamatorio y oxidante asociado con la infección de un huésped.

Cuando dos o más virus, cada uno de los cuales contiene daños genómicos letales, infectan la misma célula huésped, los genomas de los virus a menudo pueden emparejarse entre sí y sufrir HRR para producir una progenie viable. Este proceso, denominado reactivación de multiplicidad, se ha estudiado en bacteriófagos lambda y T4, así como en varios virus patógenos. En el caso de virus patógenos, la reactivación de multiplicidad puede ser un beneficio adaptativo para el virus ya que permite la reparación de daños en el ADN causados ​​por la exposición al ambiente oxidante producido durante la infección del huésped. Véase también reordenamiento.

Recombinación meiótica

Los modelos moleculares de recombinación meiótica han evolucionado a lo largo de los años a medida que se acumulaba evidencia relevante. Un incentivo importante para desarrollar una comprensión fundamental del mecanismo de la recombinación meiótica es que dicha comprensión es crucial para resolver el problema de la función adaptativa del sexo, un tema importante sin resolver en biología. Anderson y Sekelsky presentaron un modelo reciente que refleja la comprensión actual.y se describe en la primera figura de este artículo. La figura muestra que dos de las cuatro cromátidas presentes al principio de la meiosis (profase I) están emparejadas entre sí y pueden interactuar. La recombinación, en esta versión del modelo, se inicia mediante una ruptura (o brecha) de doble cadena que se muestra en la molécula de ADN (cromátida) en la parte superior de la primera figura de este artículo. Sin embargo, otros tipos de daños en el ADN también pueden iniciar la recombinación. Por ejemplo, la HRR puede reparar un entrecruzamiento entre hebras (causado por la exposición a un agente de entrecruzamiento como la mitomicina C).

Como se indica en la primera figura anterior, se producen dos tipos de productos recombinantes. En el lado derecho se indica un tipo "cruzado" (CO), en el que se intercambian las regiones flanqueantes de los cromosomas, y en el lado izquierdo, un tipo "no cruzado" (NCO) en el que no se intercambian las regiones flanqueantes. El tipo de recombinación CO implica la formación intermedia de dos "uniones de Holliday" indicadas en la parte inferior derecha de la figura por dos estructuras en forma de X en cada una de las cuales hay un intercambio de hebras simples entre las dos cromátidas participantes. Esta vía está etiquetada en la figura como la vía DHJ (unión de doble Holliday).

Los recombinantes NCO (ilustrados a la izquierda en la figura) se producen mediante un proceso denominado "recocido de cadena dependiente de síntesis" (SDSA). Los eventos de recombinación del tipo NCO/SDSA parecen ser más comunes que los del tipo CO/DHJ. La vía NCO/SDSA contribuye poco a la variación genética, ya que los brazos de los cromosomas que flanquean el evento de recombinación permanecen en la configuración parental. Por lo tanto, las explicaciones de la función adaptativa de la meiosis que se enfocan exclusivamente en el entrecruzamiento son inadecuadas para explicar la mayoría de los eventos de recombinación.

Aquiasmia y heteroquiasmia

La aquiasmia es el fenómeno en el que la recombinación autosómica está completamente ausente en un sexo de una especie. La segregación cromosómica aquiasmática está bien documentada en machos de Drosophila melanogaster. La heteroquiasmia ocurre cuando las tasas de recombinación difieren entre los sexos de una especie. Este patrón de dimorfismo sexual en la tasa de recombinación se ha observado en muchas especies. En los mamíferos, las hembras suelen tener tasas más altas de recombinación. La "regla de Haldane-Huxley" establece que la aquiasmia generalmente ocurre en el sexo heterogamético.

Recombinación de virus de ARN

Numerosos virus de ARN son capaces de recombinación genética cuando al menos dos genomas virales están presentes en la misma célula huésped. La recombinación es en gran parte responsable de la diversidad de virus de ARN y la evasión inmune. La recombinación de ARN parece ser una fuerza impulsora importante para determinar la arquitectura del genoma y el curso de la evolución viral entre los picornaviridae ((+)ssRNA) (p. ej., poliovirus). En los retroviridae ((+)ssRNA) (p. ej., VIH), el daño en el genoma del ARN parece evitarse durante la transcripción inversa mediante el cambio de cadena, una forma de recombinación.

La recombinación también ocurre en los reoviridae (dsRNA) (por ejemplo, reovirus), orthomyxoviridae ((-)ssRNA) (por ejemplo, virus de la influenza) y coronaviridae ((+)ssRNA) (por ejemplo, SARS).

La recombinación en los virus de ARN parece ser una adaptación para hacer frente al daño del genoma. El cambio entre hebras de plantilla durante la replicación del genoma, denominado recombinación de elección de copia, se propuso originalmente para explicar la correlación positiva de los eventos de recombinación en distancias cortas en organismos con un genoma de ADN (consulte la primera figura, vía SDSA).

La recombinación puede ocurrir con poca frecuencia entre virus animales de la misma especie pero de linajes divergentes. Los virus recombinantes resultantes a veces pueden causar un brote de infección en humanos.

Especialmente en los coronavirus, la recombinación también puede ocurrir incluso entre grupos evolutivos (subgéneros) relacionados de forma distante, debido a su mecanismo de transcripción característico, que involucra ARNm subgenómicos que se forman por cambio de plantilla.

Al replicar su genoma (+)ssRNA, la polimerasa de ARN dependiente de ARN del poliovirus (RdRp) es capaz de llevar a cabo la recombinación. La recombinación parece ocurrir por un mecanismo de elección de copia en el que RdRp cambia las plantillas (+)ssRNA durante la síntesis de cadena negativa. La recombinación por cambio de cadena de RdRp también se produce en los carmovirus y tombusvirus de plantas (+) ssRNA.

La recombinación parece ser una fuerza impulsora importante para determinar la variabilidad genética dentro de los coronavirus, así como la capacidad de las especies de coronavirus para saltar de un huésped a otro y, con poca frecuencia, para la aparición de nuevas especies, aunque el mecanismo de recombinación no está claro. Durante los primeros meses de la pandemia de COVID-19, se sugirió que tal evento de recombinación había sido un paso crítico en la evolución de la capacidad del SARS-CoV-2 para infectar a los humanos. Todo el motivo de unión al receptor del SARS-CoV-2 parecía, según observaciones preliminares, haber sido introducido a través de la recombinación de coronavirus de pangolines. Sin embargo, análisis más completos refutaron más tarde esta sugerencia y mostraron que el SARS-CoV-2 probablemente evolucionó únicamente dentro de los murciélagos y con poca o ninguna recombinación.

Papel de la recombinación en el origen de la vida

Nowak y Ohtsuki señalaron que el origen de la vida (abiogénesis) es también el origen de la evolución biológica. Señalaron que toda la vida conocida en la tierra se basa en biopolímeros y propusieron que cualquier teoría sobre el origen de la vida debe involucrar polímeros biológicos que actúan como portadores de información y catalizadores. Lehman argumentó que la recombinación fue un desarrollo evolutivo tan antiguo como los orígenes de la vida. Smail et al. propuso que en la Tierra primordial, la recombinación desempeñó un papel clave en la expansión de los polímeros informativos inicialmente cortos (que se suponía que eran ARN) que fueron los precursores de la vida.