Cruce cromosómico

El entrecruzamiento cromosómico , o crossing over , es el intercambio de material genético durante la reproducción sexual entre las cromátidas no hermanas de dos cromosomas homólogos que da lugar a cromosomas recombinantes . Es una de las fases finales de la recombinación genética , que se produce en la etapa de paquiteno de la profase I de la meiosis durante un proceso llamado sinapsis . La sinapsis comienza antes de que se desarrolle el complejo sinaptonémico y no se completa hasta cerca del final de la profase I. El entrecruzamiento suele producirse cuando las regiones coincidentes de los cromosomas coincidentes se rompen y luego se vuelven a conectar al otro cromosoma.

El entrecruzamiento fue descrito, en teoría, por Thomas Hunt Morgan ; el término entrecruzamiento fue acuñado por Morgan y Eleth Cattell. ^[3] Hunt se basó en el descubrimiento de Frans Alfons Janssens , quien describió el fenómeno en 1909 y lo había llamado "quiasmatipia". ^[4] El término quiasma está vinculado, si no es idéntico, al entrecruzamiento cromosómico. Morgan vio inmediatamente la gran importancia de la interpretación citológica de Janssens de los quiasmas para los resultados experimentales de su investigación sobre la herencia de Drosophila . La base física del entrecruzamiento fue demostrada por primera vez por Harriet Creighton y Barbara McClintock en 1931. ^[5]

La frecuencia asociada de entrecruzamiento entre dos loci genéticos ( marcadores ) es el valor de entrecruzamiento . Para un conjunto fijo de condiciones genéticas y ambientales, la recombinación en una región particular de una estructura de ligamiento ( cromosoma ) tiende a ser constante y lo mismo ocurre con el valor de entrecruzamiento que se utiliza en la producción de mapas genéticos . ^{[6] [7]}

Cuando Hotta et al. en 1977 compararon el entrecruzamiento meiótico ( recombinación ) en lirios y ratones, concluyeron que diversos eucariotas comparten un patrón común. ^[8] Este hallazgo sugirió que el entrecruzamiento cromosómico es una característica general de la meiosis eucariota.

Existen dos teorías populares y superpuestas que explican los orígenes del entrecruzamiento, que surgen de las diferentes teorías sobre el origen de la meiosis . La primera teoría se basa en la idea de que la meiosis evolucionó como otro método de reparación del ADN y, por lo tanto, el entrecruzamiento es una forma novedosa de reemplazar secciones de ADN posiblemente dañadas. ^[9] La segunda teoría proviene de la idea de que la meiosis evolucionó a partir de la transformación bacteriana , con la función de propagar la diversidad. ^[9]

En 1931, Barbara McClintock descubrió una planta de maíz triploide. Realizó descubrimientos clave sobre el cariotipo del maíz, incluidos el tamaño y la forma de los cromosomas. McClintock utilizó las etapas de profase y metafase de la mitosis para describir la morfología de los cromosomas del maíz y, más tarde, mostró la primera demostración citológica de entrecruzamiento en la meiosis. Trabajando con la estudiante Harriet Creighton, McClintock también realizó importantes contribuciones a la comprensión temprana de la codependencia de los genes ligados.

El entrecruzamiento y la reparación del ADN son procesos muy similares, que utilizan muchos de los mismos complejos proteicos. ^{[10] [11]} En su informe, "La importancia de las respuestas del genoma al desafío", McClintock estudió el maíz para mostrar cómo el genoma del maíz se modificaría a sí mismo para superar las amenazas a su supervivencia. Utilizó 450 plantas autopolinizadas que recibieron de cada progenitor un cromosoma con un extremo roto. Utilizó patrones modificados de expresión genética en diferentes sectores de las hojas de sus plantas de maíz para mostrar que los elementos transponibles ("elementos de control") se esconden en el genoma, y ​​su movilidad les permite alterar la acción de los genes en diferentes loci. Estos elementos también pueden reestructurar el genoma, desde unos pocos nucleótidos hasta segmentos completos de cromosoma. Las recombinasas y primasas establecen una base de nucleótidos a lo largo de la secuencia de ADN. Uno de estos complejos proteicos particulares que se conserva entre procesos es RAD51 , una proteína recombinasa bien conservada que ha demostrado ser crucial en la reparación del ADN, así como en el entrecruzamiento. ^[12] Varios otros genes en D. melanogaster también se han vinculado a ambos procesos, al mostrar que los mutantes en estos loci específicos no pueden sufrir reparación de ADN o entrecruzamiento. Dichos genes incluyen mei-41, mei-9, hdm, spnA y brca2. ^{[ cita requerida ]} Este gran grupo de genes conservados entre procesos respalda la teoría de una relación evolutiva cercana. Además, se ha descubierto que la reparación de ADN y el entrecruzamiento favorecen regiones similares en los cromosomas. En un experimento que utilizó el mapeo híbrido de radiación en el cromosoma 3B del trigo ( Triticum aestivum L. ), se descubrió que el entrecruzamiento y la reparación de ADN ocurren predominantemente en las mismas regiones. ^[13] Además, se ha correlacionado el entrecruzamiento con la ocurrencia en respuesta a condiciones estresantes y probablemente dañinas para el ADN. ^{[14] [15]}

El proceso de transformación bacteriana también comparte muchas similitudes con el entrecruzamiento cromosómico, particularmente en la formación de salientes en los lados de la cadena de ADN rota, lo que permite el recocido de una nueva cadena. La transformación bacteriana en sí misma se ha relacionado muchas veces con la reparación del ADN. ^{[ cita requerida ]} La segunda teoría proviene de la idea de que la meiosis evolucionó a partir de la transformación bacteriana , con la función de propagar la diversidad genética. ^{[9] [16]} Por lo tanto, esta evidencia sugiere que es una cuestión de si el entrecruzamiento está relacionado con la reparación del ADN o la transformación bacteriana, ya que los dos no parecen ser mutuamente excluyentes. Es probable que el entrecruzamiento pueda haber evolucionado a partir de la transformación bacteriana, que a su vez se desarrolló a partir de la reparación del ADN, lo que explica los vínculos entre los tres procesos.

La recombinación meiótica puede iniciarse por roturas de doble cadena que se introducen en el ADN por exposición a agentes que dañan el ADN, ^[9] o la proteína Spo11 . ^[17] Una o más exonucleasas luego digieren los extremos 5' generados por las roturas de doble cadena para producir colas de ADN monocatenario 3' (ver diagrama). La recombinasa específica de la meiosis Dmc1 y la recombinasa general Rad51 recubren el ADN monocatenario para formar filamentos de nucleoproteína. ^[18] Las recombinasas catalizan la invasión de la cromátida opuesta por el ADN monocatenario desde un extremo de la rotura. A continuación, el extremo 3' del ADN invasor prepara la síntesis de ADN, lo que provoca el desplazamiento de la cadena complementaria, que posteriormente se une al ADN monocatenario generado a partir del otro extremo de la rotura de doble cadena inicial. La estructura que resulta es un intercambio de cadena cruzada , también conocido como unión de Holliday . El contacto entre dos cromátidas que pronto se cruzarán se conoce como quiasma . La unión de Holliday es una estructura tetraédrica que puede ser "arrastrada" por otras recombinasas, desplazándola a lo largo de la estructura de cuatro cadenas.

Las proteínas MSH4 y MSH5 forman una estructura hetero-oligomérica ( heterodímero ) en levaduras y humanos. ^{[19] [20] [21]} En la levadura Saccharomyces cerevisiae, MSH4 y MSH5 actúan específicamente para facilitar los entrecruzamientos entre cromosomas homólogos durante la meiosis . ^[19] El complejo MSH4/MSH5 se une y estabiliza las uniones dobles de Holliday y promueve su resolución en productos de entrecruzamiento. Un mutante hipomórfico MSH4 (parcialmente funcional) de S. cerevisiae mostró una reducción del 30% en todo el genoma en los números de entrecruzamiento y un gran número de meiosis con cromosomas sin intercambio. ^[22] Sin embargo, este mutante dio lugar a patrones de viabilidad de esporas que sugieren que la segregación de cromosomas sin intercambio ocurrió de manera eficiente. Por lo tanto, en S. cerevisiae, la segregación adecuada aparentemente no depende completamente de entrecruzamientos entre pares homólogos .

El saltamontes Melanoplus femur-rubrum se expuso a una dosis aguda de rayos X durante cada etapa individual de la meiosis , y se midió la frecuencia de quiasmas . ^[23] Se encontró que la irradiación durante las etapas leptoteno - cigoteno de la meiosis (es decir, antes del período paquiteno en el que ocurre la recombinación cruzada) aumentaba la frecuencia de quiasmas posteriores. De manera similar, en el saltamontes Chorthippus brunneus , la exposición a la irradiación X durante las etapas cigoteno-paquiteno temprano causó un aumento significativo en la frecuencia media de quiasmas celulares. ^[24] La frecuencia de quiasmas se midió en las etapas posteriores de diploteno-diacinesis de la meiosis. Estos resultados sugieren que los rayos X inducen daños en el ADN que son reparados por una vía cruzada que conduce a la formación de quiasmas.

Las roturas de doble cadena (DSB) se reparan mediante dos vías para generar entrecruzamientos en eucariotas. ^[25] La mayoría de ellas son reparadas por los homólogos de MutL MLH1 y MLH3, que definen los entrecruzamientos de clase I. El resto son el resultado de la vía de clase II, que está regulada por la endonucleasa MUS81 y la translocasa FANCM . Existen interconexiones entre estas dos vías: los entrecruzamientos de clase I pueden compensar la pérdida de la vía de clase II. En ratones knock out de MUS81, los entrecruzamientos de clase I están elevados, mientras que los recuentos totales de entrecruzamientos en los quiasmas son normales. Sin embargo, los mecanismos que subyacen a esta diafonía no se entienden bien. Un estudio reciente sugiere que una proteína de andamiaje llamada SLX4 puede participar en esta regulación. ^[26] Específicamente, los ratones knock out de SLX4 fenocopian en gran medida el knock out de MUS81: una vez más, un elevado número de entrecruzamientos de clase I mientras que el recuento de quiasmas es normal. En ratones knock out de FANCM, la vía de clase II está hiperactivada, lo que da como resultado un mayor número de cruces que son independientes de la vía MLH1/MLH3. ^[27]

En la mayoría de los eucariotas , una célula porta dos versiones de cada gen , cada una de las cuales se denomina alelo . Cada progenitor transmite un alelo a cada descendiente. Un gameto individual hereda un complemento haploide completo de alelos en cromosomas que se seleccionan independientemente de cada par de cromátidas alineadas en la placa metafásica. Sin la recombinación, todos los alelos de esos genes unidos entre sí en el mismo cromosoma se heredarían juntos. La recombinación meiótica permite una segregación más independiente entre los dos alelos que ocupan las posiciones de genes individuales, ya que la recombinación baraja el contenido de alelos entre cromosomas homólogos.

La recombinación da como resultado una nueva disposición de los alelos paternos y maternos en el mismo cromosoma. Aunque los mismos genes aparecen en el mismo orden, algunos alelos son diferentes. De esta manera, es teóricamente posible tener cualquier combinación de alelos parentales en una descendencia, y el hecho de que dos alelos aparezcan juntos en una descendencia no tiene ninguna influencia en la probabilidad estadística de que otra descendencia tenga la misma combinación. Este principio de " surtido independiente " de genes es fundamental para la herencia genética. ^[28] Sin embargo, la frecuencia de recombinación en realidad no es la misma para todas las combinaciones de genes. Esto conduce al concepto de " distancia genética ", que es una medida de la frecuencia de recombinación promediada sobre una muestra (adecuadamente grande) de pedigríes. En términos generales, se puede decir que esto se debe a que la recombinación está muy influenciada por la proximidad de un gen a otro. Si dos genes están ubicados cerca uno del otro en un cromosoma, la probabilidad de que un evento de recombinación separe a estos dos genes es menor que si estuvieran más separados. El ligamiento genético describe la tendencia de los genes a heredarse juntos como resultado de su ubicación en el mismo cromosoma. El desequilibrio de ligamiento describe una situación en la que algunas combinaciones de genes o marcadores genéticos ocurren con mayor o menor frecuencia en una población de lo que se esperaría a partir de sus distancias de separación. Este concepto se aplica cuando se busca un gen que pueda causar una enfermedad en particular . Esto se hace comparando la aparición de una secuencia de ADN específica con la aparición de una enfermedad. Cuando se encuentra una alta correlación entre los dos, es probable que la secuencia genética apropiada esté realmente más cerca ^[28]

Los cruces ocurren típicamente entre regiones homólogas de cromosomas coincidentes , pero las similitudes en la secuencia y otros factores pueden resultar en alineaciones no coincidentes. La mayor parte del ADN está compuesto de secuencias de pares de bases repetidas un gran número de veces. ^[29] Estos segmentos repetitivos, a menudo denominados satélites, son bastante homogéneos entre las especies. ^[29] Durante la replicación del ADN , cada hebra de ADN se utiliza como plantilla para la creación de nuevas hebras utilizando un mecanismo parcialmente conservado; el funcionamiento adecuado de este proceso da como resultado dos cromosomas idénticos y pareados, a menudo llamados hermanas. Se sabe que los eventos de cruce de cromátidas hermanas ocurren a una tasa de varios eventos de cruce por célula por división en eucariotas. ^[29] La mayoría de estos eventos implican un intercambio de cantidades iguales de información genética, pero pueden ocurrir intercambios desiguales debido a un desajuste de secuencias. Estos se conocen con una variedad de nombres, incluidos cruce no homólogo, cruce desigual y recombinación desequilibrada, y dan como resultado una inserción o eliminación de información genética en el cromosoma. Si bien son poco frecuentes en comparación con los eventos de cruce homólogo, estas mutaciones son drásticas y afectan a muchos loci al mismo tiempo. Se las considera el principal impulsor de la generación de duplicaciones genéticas y son una fuente general de mutación dentro del genoma . ^[30]

Las causas específicas de los eventos de cruce no homólogo son desconocidas, pero se sabe que varios factores influyentes aumentan la probabilidad de un cruce desigual. Un vector común que conduce a la recombinación desequilibrada es la reparación de roturas de doble cadena (DSB). ^[31] Las DSB a menudo se reparan utilizando reparación dirigida por homología, un proceso que implica la invasión de una cadena molde por la cadena DSB (ver figura a continuación). Las regiones homólogas cercanas de la cadena molde se utilizan a menudo para la reparación, lo que puede dar lugar a inserciones o deleciones en el genoma si se utiliza una parte no homóloga pero complementaria de la cadena molde. ^[31] La similitud de secuencia es un factor importante en el cruce: los eventos de cruce tienen más probabilidades de ocurrir en regiones largas de identidad cercana en un gen. ^[32] Esto significa que cualquier sección del genoma con secciones largas de ADN repetitivo es propensa a eventos de cruce.

La presencia de elementos transponibles es otro elemento influyente del entrecruzamiento no homólogo. Las regiones repetitivas de código caracterizan a los elementos transponibles; las regiones complementarias pero no homólogas son omnipresentes dentro de los transposones. Debido a que las regiones cromosómicas compuestas de transposones tienen grandes cantidades de código idéntico y repetitivo en un espacio condensado, se cree que las regiones de transposón que experimentan un evento de entrecruzamiento son más propensas a un emparejamiento complementario erróneo; ^[33] es decir, una sección de un cromosoma que contiene muchas secuencias idénticas, si experimenta un evento de entrecruzamiento, tiene menos probabilidades de coincidir con una sección perfectamente homóloga de código complementario y es más propensa a unirse con una sección de código en una parte ligeramente diferente del cromosoma. Esto da como resultado una recombinación desequilibrada, ya que la información genética puede insertarse o eliminarse en el nuevo cromosoma, dependiendo de dónde ocurrió la recombinación.

Aunque los factores que motivan la recombinación desigual siguen siendo oscuros, se han dilucidado elementos del mecanismo físico. Las proteínas de reparación de desajustes (MMR), por ejemplo, son una familia de proteínas reguladoras bien conocida, responsables de regular secuencias de ADN desparejadas durante la replicación y la regulación del escape. ^[34] El objetivo operativo de las MMR es la restauración del genotipo parental. Se sabe que una clase de MMR en particular, MutSβ, inicia la corrección de desajustes de inserción-deleción de hasta 16 nucleótidos. ^[34] Se sabe poco sobre el proceso de escisión en eucariotas, pero las escisiones de E. coli implican la escisión de una muesca en la cadena 5' o 3', después de lo cual la helicasa de ADN y la polimerasa III de ADN se unen y generan proteínas monocatenarias, que son digeridas por exonucleasas y unidas a la cadena por ligasa . ^[34] Se han implicado múltiples vías MMR en el mantenimiento de la estabilidad del genoma de organismos complejos, y cualquiera de los muchos posibles fallos en la vía MMR da lugar a errores de edición y corrección del ADN. ^[35] Por lo tanto, si bien no se sabe con certeza qué mecanismos conducen a errores de cruce no homólogo, es extremadamente probable que la vía MMR esté implicada.

• Cruce desigual
• Coeficiente de coincidencia
• Distancia genética
• Surtido independiente
• Cruce mitótico
• Frecuencia recombinante