Recombinação homóloga: funções, mecanismo e aplicações - Ciência - 2023

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o recombinação homóloga é um processo que envolve a troca de moléculas de DNA entre seções semelhantes ou idênticas do genoma. As células usam a recombinação homóloga principalmente para reparar quebras no material genético, gerando variação genética nas populações.

Em geral, a recombinação homóloga envolve o pareamento físico entre áreas homólogas do material genético, seguido da quebra das cadeias que vão sofrer a troca e, finalmente, a união das novas moléculas de DNA combinadas.

Quebras no DNA devem ser reparadas o mais rápida e eficientemente possível. Quando o dano não é reparado, as consequências podem ser graves e até letais. Em bactérias, a principal função da recombinação homóloga é reparar essas quebras no material genético.

A recombinação homóloga é considerada um dos principais mecanismos que permitem a estabilidade do genoma. Ele está presente em todos os domínios da vida e até mesmo nos vírus, portanto, é presumivelmente um mecanismo vital que apareceu muito cedo na evolução da vida.

Perspectiva histórica

Um dos princípios mais relevantes propostos por Gregor Mendel consiste na independência na segregação de personagens. De acordo com esta lei, os diferentes genes são passados de pai para filho de forma independente.

No entanto, em 1900, a existência de exceções muito marcantes a esse princípio era evidente. Os geneticistas ingleses Bateson e Punnett mostraram que muitas vezes certos caracteres são herdados juntos, e para esses traços não se aplica o princípio enunciado por Mendel.

Pesquisas posteriores conseguiram elucidar a existência do processo de recombinação, em que as células eram capazes de trocar material genético. Nos casos em que os genes são herdados juntos, o DNA não é trocado devido à proximidade física entre os genes.

O que é recombinação homóloga?

A recombinação homóloga é um fenômeno celular que envolve a troca física de sequências de DNA entre dois cromossomos. A recombinação envolve um conjunto de genes conhecidos como genes gravando. Estes codificam para diferentes enzimas que participam do processo.

As moléculas de DNA são consideradas "homólogas" quando compartilham sequências semelhantes ou idênticas de mais de 100 pares de bases. O DNA tem pequenas regiões que podem diferir umas das outras e essas variantes são conhecidas como alelos.

Nos seres vivos, todo DNA é considerado DNA recombinante. A troca de material genético entre os cromossomos ocorre continuamente, misturando e reorganizando os genes nos cromossomos.

Esse processo ocorre obviamente na meiose. Especificamente na fase em que os cromossomos se emparelham na primeira divisão celular. Nesta fase, ocorre a troca de material genético entre os cromossomos.

Historicamente, este processo é designado na literatura usando a palavra anglo-saxônica cruzando. Este evento é um dos resultados da recombinação homóloga.

A frequência de cruzando entre dois genes do mesmo cromossomo depende principalmente da distância que existe entre eles; quanto menor a distância física entre eles, menor a frequência de troca.

Funções e consequências da recombinação homóloga

O material genético está constantemente exposto a danos, causados por fontes endógenas e exógenas, como a radiação, por exemplo.

Estima-se que as células humanas tenham um número significativo de lesões de DNA, da ordem de dezenas a centenas por dia. Essas lesões precisam ser reparadas para evitar potenciais mutações deletérias, bloqueios de replicação e transcrição e danos no nível cromossômico.

Do ponto de vista médico, o dano ao DNA que não é reparado corretamente resulta no desenvolvimento de tumores e outras patologias.

A recombinação homóloga é um evento que permite o reparo no DNA, permitindo a recuperação de sequências perdidas, utilizando a outra fita (homóloga) do DNA como molde.

Esse processo metabólico está presente em todas as formas de vida, proporcionando um mecanismo de alta fidelidade que permite reparar “lacunas” no DNA, quebras de fita dupla e ligações cruzadas entre as fitas de DNA.

Uma das consequências mais relevantes da recombinação é a geração de novas variações genéticas. Junto com as mutações, eles são os dois processos que geram variação nos seres vivos - lembre-se de que a variação é a matéria-prima da evolução.

Além disso, ele fornece um mecanismo para redefinir bifurcações de replicação que foram danificadas.

Em bactérias

Nas bactérias, ocorrem eventos frequentes de transferência horizontal de genes. Estes são classificados como conjugação, transformação e transdução. Aqui, os procariontes obtêm DNA de outro organismo e até de espécies diferentes.

Durante esses processos, ocorre recombinação homóloga entre a célula receptora e a célula doadora.

Mecanismo

A recombinação homóloga começa com a quebra de uma das fitas da molécula de DNA cromossômica. Em seguida, ocorre uma série de etapas catalisadas por várias enzimas.

A extremidade 3 'onde ocorre o corte é invadida pela fita dupla homóloga de DNA. O processo de invasão é crucial. Por "cadeia homóloga" queremos dizer as porções dos cromossomos que possuem os mesmos genes em uma ordem linear, embora as sequências de nucleotídeos não precisem ser idênticas.

Sinapse

Essa invasão da fita coloca os cromossomos homólogos frente a frente. Esse fenômeno de encontro de fios é denominado sinapse (não confundir com sinapse em neurônios, aqui o termo é usado com outro significado).

A sinapse não implica necessariamente um contato direto entre as duas sequências homólogas, o DNA pode continuar a se mover por um tempo até encontrar a porção homóloga. Este processo de busca é denominado alinhamento homólogo.

Formação D-loop

Em seguida, ocorre um evento denominado "invasão de fita". Um cromossomo é uma dupla hélice de DNA. Na recombinação homóloga, dois cromossomos procuram suas sequências homólogas. Em uma das hélices, os fios se separam e esse fio "invade" a estrutura da dupla hélice, formando a estrutura chamada D loop.

A cadeia D-loop foi deslocada pela invasão da fita de quebra e emparelha-se com a fita complementar da dupla hélice original.

Formação de junção de Holliday

O próximo passo é a formação dos sindicatos Holliday. Aqui, as pontas dos fios trocados são amarrados. Essa união tem a capacidade de se mover em qualquer direção. A junta pode quebrar e se formar várias vezes.

O processo final de recombinação é a resolução dessas uniões e há duas maneiras ou maneiras pelas quais a célula consegue isso. Uma delas é a clivagem da união ou por um processo denominado dissolução, típico dos organismos eucarióticos.

No primeiro mecanismo, a quebra da junção de Holliday regenera duas cadeias. No outro evento de "dissolução", ocorre uma espécie de colapso do sindicato.

Proteínas envolvidas

Uma proteína crucial no processo de recombinação é chamada Rad51 em células eucarióticas, e RecA em Escherichia coli. Atua nas diferentes fases da recombinação: antes, durante e depois da sinapse.

A proteína Rad51 facilita a formação da conexão física entre o DNA invasor e o DNA temperado. Neste processo, o DNA heteroduplex é gerado.

O Rad51, e sua contraparte RecA, catalisam a busca por DNA homólogo e a troca de fitas de DNA. Essas proteínas têm a capacidade de se ligar cooperativamente ao DNA de banda única.

Existem também genes parálogos (originados de eventos de duplicação de genes em uma linhagem de organismos) de Rad51, chamados de Rad55 e Rad57. Em humanos, cinco genes parálogos Rad51 foram identificados, chamados Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 e Xrcc3.

Anomalias associadas a processos de recombinação

Uma vez que a recombinação requer ligação física nos cromossomos, é uma etapa crucial na segregação adequada durante a meiose. Se a recombinação adequada não ocorrer, o resultado pode ser uma patologia grave.

A não disjunção de cromossomos ou erros de segregação é uma das causas mais frequentes de abortos e anomalias de origem cromossômica, como a trissomia do cromossomo 21, que causa a síndrome de Down.

Embora a recombinação seja geralmente um processo bastante preciso, as regiões do genoma que se repetem e os genes que têm várias cópias em todo o genoma são elementos propensos a um cruzamento desigual.

Este cruzamento produz diferentes traços clinicamente relevantes, incluindo doenças comuns como talassemia e autismo.

Aplicativos de recombinação

Os biólogos moleculares aproveitaram o conhecimento do mecanismo de recombinação homóloga para criar diferentes tecnologias. Um deles permite a criação de organismos "Nocaute”.

Esses organismos geneticamente modificados permitem elucidar a função de um gene de interesse.

Uma das metodologias utilizadas para criar nocautes Consiste na supressão da expressão do gene específico, substituindo o gene original por uma versão modificada ou "danificada". O gene é trocado pela versão mutada por meio de recombinação homóloga.

Outros tipos de recombinação

Além da recombinação homóloga ou legítima, existem outros tipos de troca de material genético.

Quando as regiões do DNA que trocam material são não alélicas (cromossomos homólogos), o resultado é a duplicação ou redução de genes. Este processo é conhecido como recombinação não homóloga ou recombinação desigual.

Juntos, o material genético também pode ser trocado entre cromátides irmãs no mesmo cromossomo. Esse processo ocorre tanto na divisão meiótica quanto na mitótica e é denominado troca desigual.

Referências

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