Recocido de hebras dependiente de la síntesis

El recocido de hebras dependiente de la síntesis ( SDSA ) es un mecanismo principal de reparación dirigida por homología de roturas de doble hebra de ADN (DSB). Aunque muchas de las características del SDSA se sugirieron por primera vez en 1976, ^{[ 1 ]} el modelo de unión de doble Holliday propuesto en 1983 ^{[ 2 ]} fue el preferido por muchos investigadores. En 1994, se descubrió que los estudios de reparación de huecos de doble hebra en Drosophila eran incompatibles con el modelo de unión de doble Holliday, lo que llevó a los investigadores a proponer un modelo que denominaron recocido de hebras dependiente de la síntesis. ^{[ 3 ]} Estudios posteriores de recombinación meiótica en S. cerevisiae encontraron que los productos sin entrecruzamiento aparecen antes que las uniones de doble Holliday o los productos de entrecruzamiento, desafiando la noción previa de que tanto los productos de entrecruzamiento como los que no lo son se producen mediante uniones de doble Holliday y llevando a los autores a proponer que los productos sin entrecruzamiento se generan a través del SDSA. ^{[ 4 ]}

En la figura adjunta, el primer paso etiquetado como “resección 5' a 3'” muestra la formación de una cadena simple de ADN con extremo 3' que, en el siguiente paso, invade un dúplex de ADN homólogo. Se ha descrito que la ARN polimerasa III cataliza la formación de un híbrido transitorio de ARN-ADN en las roturas de doble cadena como un paso intermedio esencial en la reparación de las roturas por recombinación homóloga. ^{[ 5 ]} La formación del híbrido de ARN-ADN protegería al ADN monocatenario invasor de la degradación. Después de que se forma el intermedio transitorio de híbrido de ARN-ADN, la cadena de ARN es reemplazada por la proteína Rad51 , que cataliza la etapa subsiguiente de invasión de la cadena.

En el modelo SDSA, la reparación de roturas de doble cadena ocurre sin la formación de una doble unión de Holliday, de modo que los dos procesos de recombinación homóloga son idénticos hasta justo después de la formación del bucle D. ^{[ 6 ]} En la levadura, el bucle D se forma por invasión de la cadena con la ayuda de las proteínas Rad51 y Rad52 , ^{[ 7 ]} y luego es actuado por la helicasa de ADN Srs2 para evitar la formación de la doble unión de Holliday para que ocurra la vía SDSA. ^{[ 8 ]} La cadena 3' invasora se extiende a lo largo del dúplex de ADN homólogo receptor por la ADN polimerasa en la dirección 5' a 3', de modo que el bucle D se transloca físicamente, un proceso conocido como síntesis de ADN por migración de burbuja. ^{[ 9 ]} La unión de Holliday simple resultante se desliza luego a lo largo del dúplex de ADN en la misma dirección en un proceso llamado migración de rama , desplazando la cadena extendida de la cadena molde. Esta hebra desplazada emerge para formar un saliente 3' en el dúplex de rotura de doble cadena original, que luego puede hibridar con el extremo opuesto de la rotura original mediante el apareamiento de bases complementarias . De esta manera, la síntesis de ADN rellena los huecos que quedan tras la hibridación y extiende ambos extremos de la rotura de ADN de cadena simple aún presente, ligando todos los huecos restantes para producir ADN recombinante sin entrecruzamiento. ^{[ 10 ]}

La SDSA es única porque la translocación del bucle D da como resultado una replicación conservativa en lugar de semiconservativa , ya que la primera hebra extendida se desplaza de su hebra molde , dejando intacto el dúplex homólogo. Por lo tanto, aunque la SDSA produce productos sin entrecruzamiento porque los marcadores flanqueantes del ADN heteroduplex no se intercambian, puede ocurrir una conversión génica , en la que se produce una transferencia genética no recíproca entre dos secuencias homólogas. ^{[ 11 ]}

El ensamblaje de un filamento de nucleoproteína compuesto por ADN monocatenario (ssDNA) y el homólogo de RecA , Rad51 , es un paso clave necesario para la búsqueda de homología durante la recombinación . En la levadura Saccharomyces cerevisiae , la translocasa Srs2 desmantela los filamentos de Rad51 durante la meiosis . ^{[ 12 ]} Al interactuar directamente con Rad51, Srs2 desplaza a Rad51 de los filamentos de nucleoproteína, inhibiendo así la formación dependiente de Rad51 de moléculas de unión y estructuras de bucle D. Esta actividad de desmantelamiento es específica para Rad51, ya que Srs2 no desmantela DMC1 (un homólogo de Rad51 específico de la meiosis), Rad52 (un mediador de Rad51) ni la proteína de replicación A ( RPA , una proteína de unión a ADN monocatenario). Srs2 promueve la vía SDSA sin entrecruzamiento, aparentemente regulando la unión de RAD51 durante el intercambio de hebras. ^{[ 13 ]}

La divergencia entre SDSA y la unión doble de Holliday ocurre cuando el bucle D se desensambla, permitiendo que la hebra naciente se hibride con el otro extremo resecado de la DSB (en el modelo de unión doble de Holliday, la hebra desplazada por la extensión del bucle D se hibrida con el otro extremo de la DSB en la "captura del segundo extremo"). La investigación en Drosophila melanogaster identificó la helicasa del síndrome de Bloom (Blm) como la enzima que promueve el desensamblaje del bucle D. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]} De manera similar, Sgs1 de S. cerevisiae , un ortólogo de BLM, parece ser un regulador central de la mayoría de los eventos de recombinación que ocurren durante la meiosis de S. cerevisiae . ^{[ 17 ]} Sgs1(BLM) puede desensamblar estructuras de bucle D análogas a los intermediarios de invasión de hebra temprana y, por lo tanto, promover la formación de NCO por SDSA. ^{[ 17 ]} La helicasa Sgs1 forma un complejo conservado con el heterodímero topoisomerasa III ( Top3 ) -RMI1 (que cataliza el paso de la cadena simple de ADN). Este complejo, llamado STR (por sus tres componentes), promueve la formación temprana de recombinantes NCO por SDSA durante la meiosis. ^{[ 18 ]}

Como revisaron Uringa et al. ^{[ 19 ],} se propone que la helicasa RTEL1 regula la recombinación durante la meiosis en el gusano Caenorhabditis elegans . RTEL1 es una proteína clave en la reparación de roturas de doble cadena (DSB). Interrumpe los bucles D y se cree que promueve resultados de NCO a través de SDSA.

El número de DSB creados durante la meiosis puede superar sustancialmente el número de eventos CO finales. En la planta Arabidopsis thaliana , solo alrededor del 4% de los DSB se reparan por recombinación CO, ^{[ 20 ]} lo que sugiere que la mayoría de los DSB se reparan por recombinación NCO. Los datos basados ​​en el análisis de tétradas de varias especies de hongos muestran que solo una minoría (en promedio alrededor del 34%) de los eventos de recombinación durante la meiosis son CO (ver Whitehouse, ^{[ 21 ]} Tablas 19 y 38 para resúmenes de datos de S. cerevisiae , Podospora anserina , Sordaria fimicola y Sordaria brevicollis ). En la mosca de la fruta D. melanogaster durante la meiosis en hembras hay al menos una proporción de 3:1 de NCO a CO. ^{[ 22 ]} Estas observaciones indican que la mayoría de los eventos de recombinación durante la meiosis son NCO, y sugieren que SDSA es la vía principal de recombinación durante la meiosis.