Recombinação genética: tipos e mecanismos - Ciência - 2023

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o recombinação genética é o processo pelo qual as moléculas de ácido nucléico trocam fragmentos, gerando uma nova molécula. É muito comum no DNA, mas o RNA também é um substrato para recombinação. A recombinação é, após a mutação, a fonte mais importante de geração de variabilidade genética.

O DNA participa de diferentes processos bioquímicos. Durante a replicação, ele serve como um modelo para a geração de duas novas moléculas de DNA. Na transcrição, permite gerar moléculas de RNA a partir de regiões específicas controladas por um promotor.

Mas, além disso, o DNA também é capaz de trocar fragmentos. Através deste processo gera novas combinações que não são produto dos dois processos anteriores, nem da fertilização.

Todo processo de recombinação envolve a quebra e união das moléculas de DNA que participam do processo. Esse mecanismo varia dependendo do substrato de recombinação, das enzimas que participam do processo e do mecanismo de sua execução.

A recombinação geralmente depende da existência de regiões complementares, semelhantes (se não idênticas) ou homólogas entre as moléculas de recombinação. No caso de as moléculas se recombinarem em processos não guiados pela homologia, a recombinação é dita não homóloga.

Se a homologia envolver uma região muito curta presente em ambas as moléculas, a recombinação é considerada específica do local.

Definição

O que chamamos de homologia na recombinação não se refere necessariamente à origem evolutiva das moléculas participantes. Em vez disso, estamos falando sobre o grau de similaridade na sequência de nucleotídeos.

A recombinação não reparativa, por exemplo, ocorre em eucariotos durante o processo de meiose. Sem dúvida, não pode haver maior homologia do que entre pares de cromossomos na mesma célula.

É por isso que são chamados de cromossomos homólogos. No entanto, há casos em que o DNA de uma célula troca material com um DNA estranho. Esses DNAs devem ser muito semelhantes para recombinar, mas eles não precisam necessariamente compartilhar o mesmo ancestral (homologia) para conseguir isso.

Quiasma e crossover

O local de ligação e troca entre duas moléculas de DNA é denominado quiasma, e o próprio processo é denominado reticulação. Durante o cruzamento, uma troca de bandas entre os DNAs participantes é verificada.

Isso gera uma cointegração, que são duas moléculas de DNA fisicamente unidas em uma. Quando a cointegração "resolve", duas moléculas são geradas, geralmente alteradas (recombinantes).

"Resolver", no contexto da recombinação, é separar as moléculas de DNA componentes de um cointegrado.

Tipos de recombinação genética

-Recombinação específica do local

Na recombinação sítio-específica, duas moléculas de DNA, geralmente não homólogas, têm uma sequência curta comum a ambas. Esta sequência é o alvo de uma enzima de splicing específica.

A enzima, capaz de reconhecer essa sequência e não outra, corta-a em um determinado local de ambas as moléculas. Com a ajuda de alguns outros fatores, ele troca as bandas de DNA das duas moléculas participantes e forma uma cointegração.

Escherichia coli e lambda

Esta é a base da formação da cointegração entre o genoma da bactéria Escherichia coli e a do bacteriófago lambda. Um bacteriófago é um vírus que infecta bactérias.

A formação deste cointegrado é realizada por uma enzima codificada no genoma do vírus: lambda integrase. Ele reconhece uma sequência comum chamada attP no genoma circular do vírus, e attB na das bactérias.

Ao cortar ambas as sequências em ambas as moléculas, ele gera segmentos livres, troca as bandas e une os dois genomas. Um círculo maior ou cointegrado é então formado.

Na cointegração, o genoma do vírus é transportado passivamente pelo genoma bacteriano, com o qual se replica. Nesse estado, diz-se que o vírus está no estado de provírus e que a bactéria é lisogênica para ele.

O processo inverso, ou seja, a resolução da cointegração, pode levar várias gerações - ou até não ocorrer. No entanto, fazer isso é mediada enzimaticamente por outra proteína codificada pelo genoma do vírus chamada excisionase. Quando isso ocorre, o vírus se separa da cointegração, reativa e causa a lise celular.

-Recombinação homóloga

Recombinação generalizada

A recombinação homóloga ocorre entre moléculas de DNA que compartilham pelo menos cerca de 40 nucleotídeos de semelhança completa ou quase completa. Para realizar o processo de recombinação, pelo menos uma endonuclease deve estar envolvida.

Endonucleases são enzimas que fazem cortes internos no DNA. Alguns fazem isso para degradar o DNA. Outros, como no caso da recombinação, fazem isso para gerar uma marca no DNA.

Este nick exclusivo permite o processamento de um DNA de banda única com uma extremidade livre. Essa extremidade livre, orientada por uma recombinase, permite que uma única banda invada um DNA duplo, deslocando a banda residente idêntica a ela.

Este é o ponto de passagem entre uma molécula de DNA doadora ("invasora") e outro receptor.

A enzima (recombinase) que realiza o processo de invasão e troca de bandas em Escherichia coli é chamado de RecA. Existem outras proteínas homólogas em procariotos, como RadA em archaea. Em eucariotos, a enzima equivalente é chamada RAD51.

Uma vez que a banda invasiva desloca o residente, ela interage com a banda que ficou simples na molécula doadora. Ambos os locais são selados pela ação de uma ligase.

Agora temos um DNA de bandas híbridas (uma banda doadora e uma banda receptora, de diferentes origens) flanqueadas por DNA doador e DNA receptor. Os pontos de cruzamento (chiasmata) se movem em ambas as direções em pelo menos 200 bp.

Cada ponto de cruzamento forma o que é conhecido como estrutura de Holliday (produto de DNA cruciforme de um evento de recombinação).

Este DNA cruciforme deve ser resolvido por outras endonucleases. O DNA quimérico ou híbrido desta estrutura pode ser resolvido de duas maneiras. Se o segundo corte de endonucleotídeo ocorrer na mesma banda em que ocorreu o primeiro, não ocorre recombinação. Se o segundo corte ocorrer na outra banda, os produtos resultantes são recombinantes.

Recombinação V (D) J

É um tipo de recombinação somática (não meiótica) que contribui para a geração da enorme variabilidade de anticorpos do sistema imunológico.

Esta recombinação ocorre em fragmentos particulares dos genes que codificam para as cadeias polipeptídicas que os definem. É realizado por células B e envolve diferentes regiões genéticas.

Curiosamente, existem parasitas como Trypanosoma brucei que empregam um mecanismo de recombinação semelhante para criar variabilidade em um antígeno de superfície. Desta forma, eles podem escapar da resposta do hospedeiro se o hospedeiro falhar em gerar o anticorpo capaz de reconhecer o "novo" antígeno.

-Não-recombinação homóloga

Por fim, existem processos de recombinação que não dependem da similaridade na sequência das moléculas participantes. Em eucariotos, por exemplo, a recombinação de extremidades não homólogas é muito importante.

Isso ocorre com fragmentos de DNA que apresentam quebras de banda dupla no DNA. Estes são "reparados" pela célula que os une a outros fragmentos da mesma forma com quebras de banda dupla.

No entanto, essas moléculas não precisam ser necessariamente semelhantes para participar desse processo de recombinação. Ou seja, ao reparar o dano, a célula pode se juntar a DNAs não relacionados, criando assim uma molécula (recombinante) realmente nova.

Importância da recombinação

Importância como causa: replicação e reparo de DNA

A recombinação garante a fidelidade das informações do DNA durante e após o processo de replicação. A recombinação detecta danos ao DNA durante o novo processo de formação de bandas nesta macromolécula extremamente longa.

Como cada banda possui suas próprias informações e as complementares, a recombinação garante que nenhuma se perca. Cada um atua como testemunha do outro. Da mesma forma, em organismos diplóides, um cromossomo homólogo testemunha seu irmão e vice-versa.

Por outro lado, uma vez que o DNA foi replicado, os mecanismos de reparo de danos dessa molécula são variados. Alguns são diretos (a lesão é tratada diretamente) e outros são indiretos.

Os mecanismos de reparo indireto dependem da recombinação para ocorrer. Ou seja, para reparar o dano em uma molécula de DNA, usa-se outra molécula homóloga. Isso atuaria na recombinação reparadora como um modelo a partir do qual sofreu danos.

Importância como consequência: a geração de variabilidade genética

A recombinação é capaz de criar enorme variabilidade cromossômica durante a meiose. A recombinação somática também gera variabilidade, como no caso de anticorpos em vertebrados.

Em muitos organismos, a meiose é gamética. Em organismos que se reproduzem sexualmente, a recombinação acaba sendo uma das formas mais poderosas de gerar variabilidade.

Em outras palavras, à mutação espontânea e à segregação cromossômica, a recombinação deve ser adicionada como outro elemento gerador de variabilidade gamética.

A integração de genomas de bacteriófagos por recombinação sítio-específica, por outro lado, tem contribuído para a remodelação do genoma de suas bactérias hospedeiras.

Isso contribuiu para a geração de variabilidade genômica e evolução desse importante grupo de seres vivos.

Recombinação e saúde

Já vimos que o DNA pode ser reparado, mas não o que o danifica. Na realidade, quase tudo pode danificar o DNA, começando com uma replicação defeituosa que não é corrigida.

Mas, além disso, o DNA pode ser danificado pela luz ultravioleta, radiação ionizante, radicais livres de oxigênio produzidos pela respiração celular e pelo que comemos, fumamos, respiramos, ingerimos ou tocamos.

Felizmente, você não precisa desistir de viver para proteger o DNA. Certas coisas devem ser abandonadas, mas o grande trabalho é feito pela própria célula. Esses mecanismos de detecção de danos ao DNA, e seu reparo, obviamente têm uma base genética, e sua deficiência, enormes consequências.

Doenças relacionadas a defeitos na recombinação homóloga incluem, por exemplo, síndromes de Bloom e Werner, mama familiar e câncer de ovário, etc.

Referências

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