El cruce cromosómico (o el cruce ) es el intercambio de material genético entre dos cromosomas homólogas sin cromátidas hermanasque producen cromosomas recombinantes durante la reproducción sexual . Es una de las fases finales de la recombinación genética , que se produce en el pachytene etapa de la profase I de la meiosis durante un proceso llamado sinapsis . La sinapsis comienza antes del complejo sinaptonémico. se desarrolla y no se completa hasta casi el final de la profase I. El cruce generalmente ocurre cuando las regiones correspondientes en los cromosomas coincidentes se rompen y luego se vuelven a conectar al otro cromosoma.
El cruce fue descrito, en teoría, por Thomas Hunt Morgan . Se basó en el descubrimiento de Frans Alfons Janssens, quien describió el fenómeno en 1909 y lo llamó "chiasmatypie". [ cita requerida ] El término chiasma está vinculado, si no es idéntico, al cruce cromosómico. Morgan vio de inmediato la gran importancia de la interpretación citológica de Janssens de los quiasmas en los resultados experimentales de su investigación sobre la herencia de Drosophila . La base física de cruzar se demostró por primera vez por Harriet Creighton y Barbara McClintock en 1931. [2]
La frecuencia vinculada de cruce entre dos loci de genes ( marcadores ) es el valor de cruce . Para un 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 es cierto para el valor de cruce que se utiliza en la producción de mapas genéticos .
Orígenes [ editar ]
Hay dos teorías populares y superpuestas que explican los orígenes del cruce, provenientes 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 cruce es una nueva forma de reemplazar secciones de ADN posiblemente dañadas. [5] 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. [6] En 1931, Barbara McClintock descubrió una planta de maíz triploide. Hizo hallazgos clave con respecto al cariotipo del maíz, incluido el tamaño y la forma de los cromosomas. McClintock usó las etapas de profase y metafase de la mitosis para describir la morfología de los cromosomas del maíz, y luego mostró la primera demostración citológica de cruce en la meiosis. Trabajando con la estudiante Harriet Creighton, McClintock también hizo contribuciones significativas a la comprensión temprana de la codependencia de los genes vinculados.
Teoría reparación del ADN [ editar ]
El cruce y la reparación del ADN son procesos muy similares, que utilizan muchos de los mismos complejos de proteínas. [5] [7] [8] En su informe, "El significado de las respuestas del genoma al desafío", McClintock estudió el maíz para mostrar cómo el genoma del maíz se cambiaría para superar las amenazas a su supervivencia. Usó 450 plantas autopolinizadas que recibieron de cada padre un cromosoma con un extremo roto. Ella usó patrones modificados de expresión génica en diferentes sectores de las hojas de sus plantas de maíz y muestra 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 del cromosoma. Recombinasas y primasas forman una base de nucleótidos a lo largo de la secuencia de ADN. Uno de estos complejos de proteínas particulares que se conserva entre procesos es el RAD51., una proteína recombinasa bien conservada que ha demostrado ser crucial en la reparación del ADN, así como en el cruce. [9] Varios otros genes en D. melanogaster se han relacionado también con ambos procesos, al mostrar que los mutantes en estos loci específicos no pueden someterse a una reparación o cruzamiento del ADN. Tales genes incluyen mei-41, mei-9, hdm, spnA y brca2. [5]Este gran grupo de genes conservados entre procesos apoya la teoría de una relación evolutiva cercana. Además, se ha encontrado que la reparación del ADN y el cruce favorecen regiones similares en los cromosomas. En un experimento que utiliza mapeo de radiación híbrida en trigo ( Triticum aestivum L.) Se encontró que el cromosoma 3B, el cruce y la reparación del ADN se producen predominantemente en las mismas regiones. [10] Además, el cruce se ha correlacionado con el hecho de responder a condiciones estresantes y probablemente dañinas para el ADN [11] [12]
Enlaces a la transformación bacteriana [ editar ]
El proceso de transformación bacteriana también comparte muchas similitudes con el cruce cromosómico, en particular en la formación de salientes en los lados de la cadena de ADN quebrada, lo que permite el recocido de una nueva cadena. La transformación bacteriana en sí misma se ha relacionado con la reparación del ADN muchas veces. [5] 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. [6] . [13] Por lo tanto, esta evidencia sugiere que se trata de si el cruce está relacionado con la reparación del ADN o la transformación bacteriana, ya que los dos no parecen ser mutuamente excluyentes. Es probable que el cruzamiento haya 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.
Química [ editar ]
La recombinación meiótica puede iniciarse por roturas de doble cadena que se introducen en el ADN mediante la exposición a agentes dañinos del ADN [5] o la proteína Spo11 . [14] Una o más exonucleasas luego digieren los extremos 5 ' generados por las roturas de doble cadena para producir colas de ADN de 3' de una sola cadena (ver diagrama). La recombinasa Dmc1 específica de la meiosis y la recombinasa general Rad51 recubren el ADN monocatenario para formar filamentos de nucleoproteínas. [15]Las recombinasas catalizan la invasión de la cromatida opuesta.por el ADN monocatenario de un extremo de la rotura. A continuación, el extremo 3 'del ADN invasor estimula la síntesis de ADN, causando el desplazamiento de la cadena complementaria, que posteriormente se acopla al ADN monocatenario generado desde el otro extremo de la rotura inicial de doble cadena. La estructura que resulta es un intercambio entre cadenas , también conocido como unión de Holliday . El contacto entre dos cromátidas que pronto se someterán al cruce se conoce como quiasma. La unión de Holliday es una estructura tetraédrica que puede ser "tirada" por otras recombinasas, moviéndola a lo largo de la estructura de cuatro cadenas.
MSH4 y MSH5 [ editar ]
Las proteínas MSH4 y MSH5 forman una estructura hetero-oligomérica ( heterodímero ) en levaduras y seres humanos. [16] [17] [18] En la levadura, Saccharomyces cerevisiae, MSH4 y MSH5 actúan específicamente para facilitar los cruces entre los cromosomas homólogos durante la meiosis . [16] El complejo MSH4 / MSH5 se une y estabiliza las uniones dobles de Holliday y promueve su resolución en productos cruzados. Un mutante MSH4 hipomorfo (parcialmente funcional) de S. cerevisiae mostró una reducción del 30% del genoma en el número de cruces y una gran cantidad de meiosis.Con cromosomas no intercambiables. [19] Sin embargo, este mutante dio lugar a patrones de viabilidad de esporas , lo que sugiere que la segregación de cromosomas no intercambiables se produjo de manera eficiente. Por lo tanto, en S. cerevisiae, la segregación apropiada aparentemente no depende completamente de los cruces entre pares homólogos .
Chiasma [ editar ]
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 quiasma . [20] Se encontró que la irradiación durante las etapas de meiosis leptoteno - zicoteno (es decir, antes del período de paquiteno en el que se produce la recombinación cruzada) aumenta la frecuencia de quiasma posterior. De manera similar, en el saltamontes Chorthippus brunneus , la exposición a la irradiación con X durante las etapas de paquiteno temprano con zygotene causó un aumento significativo en la frecuencia media de quiasma celular. [21] La frecuencia de quiasma se anotó en las etapas posteriores de meiosis diploteno-diacinesis . Estos resultados sugieren que los rayos X inducen daños en el ADN que son reparados por una ruta cruzada que conduce a la formación de quiasma.
Consecuencias [ editar ]
En la mayoría de los eucariotas , una célula transporta dos versiones de cada gen , cada uno denominado alelo . Cada padre pasa 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 cromátidasalineadas en la placa metafásica. Sin la recombinación, todos los alelos de aquellos genes unidos 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 resulta en una nueva disposición de alelos maternos y paternos 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 influye 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. [22] Sin embargo, la frecuencia de recombinación en realidad no es la misma para todas las combinaciones de genes. Esto lleva a la noción de " distancia genética ".", que es una medida de la frecuencia de recombinación promediada sobre una muestra de pedigríes (adecuadamente grande). 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 muy cerca en un cromosoma, la probabilidad de que un evento de recombinación se separará estos dos genes es menor que si fueran más separados. ligamiento genéticodescribe la tendencia de los genes a ser heredados juntos como resultado de su localización en el mismo cromosoma. el desequilibrio de ligamientodescribe una situación en la que algunas combinaciones de genes o marcadores genéticos ocurren con mayor o menor frecuencia en una población de lo que cabría esperar desde sus distancias separadas. 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 adecuada esté realmente más cerca. [23]
Cruce no homólogo [ editar ]
Los cruces suelen ocurrir entre regiones homólogas de cromosomas coincidentes , pero las similitudes en la secuencia y otros factores pueden dar como resultado alineamientos no coincidentes. La mayoría del ADN está compuesto de secuencias de pares de bases repetidas en un gran número de veces. [24] Estos segmentos repetitivos, a menudo denominados satélites, son bastante homogéneos entre una especie. [24] Durante la replicación del ADN , cada hebra de ADN se usa como plantilla para la creación de nuevas hebras utilizando un mecanismo parcialmente conservado; El funcionamiento adecuado de este proceso da como resultado dos cromosomas pareados idénticos, a menudo llamados hermanas. Cromátida hermanase sabe que los eventos de cruce se producen a una tasa de varios eventos de cruce por célula por división en eucariotas. [24] La mayoría de estos eventos implican un intercambio de cantidades iguales de información genética, pero pueden ocurrir intercambios desiguales debido a la falta de coincidencia de secuencia. Se hace referencia a estos mediante una variedad de nombres, incluido el cruce no homólogo, el cruce desigual y la recombinación no equilibrada, y dan lugar a una inserción o eliminación de información genética en el cromosoma. Si bien son poco frecuentes en comparación con los eventos de cruce homólogos, estas mutaciones son drásticas y afectan a muchos loci al mismo tiempo. Se les considera el principal impulsor de la generación de duplicaciones de genes y son una fuente general demutación dentro del genoma . [25]
Se desconocen las causas específicas de los eventos de cruce no homólogos, pero se sabe que varios factores influyentes aumentan la probabilidad de un cruce desigual. Un vector común que conduce a una recombinación desequilibrada es la reparación de roturas de doble cadena (DSB). [26] Los DSB a menudo se reparan utilizando la reparación dirigida por homología, un proceso que implica la invasión de una cadena de plantilla por parte de la cadena DSB (consulte la figura a continuación). Las regiones homólogas cercanas de la cadena de plantilla se usan a menudo para la reparación, lo que puede dar lugar a inserciones o eliminaciones en el genoma si se utiliza una parte no homóloga pero complementaria de la cadena de plantilla. [26]La similitud de secuencia es un jugador importante en el cruce: los eventos de cruce son más probables que ocurran en regiones largas de identidad cercana en un gen. [27] Esto significa que cualquier sección del genoma con secciones largas de ADN repetitivo es propensa a eventos cruzados.
La presencia de elementos transponibles es otro elemento influyente del cruce no homólogo. Las regiones repetitivas del código caracterizan los elementos transponibles; Las regiones complementarias pero no homólogas son ubicuas 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 piensa que las regiones de transposón que experimentan un evento cruzado son más propensas a un emparejamiento complementario erróneo; [28]es decir, una sección de un cromosoma que contenga muchas secuencias idénticas, en caso de que se produzca un evento cruzado, es menos probable que coincida con una sección perfectamente homóloga de código complementario y más propensa a vincularse con una sección de código en una Parte ligeramente diferente del cromosoma. Esto resulta en una recombinación desequilibrada, ya que la información genética puede insertarse o eliminarse en el nuevo cromosoma, dependiendo de dónde ocurrió la recombinación.
Si bien los factores motivadores detrás de la recombinación desigual siguen siendo oscuros, se han dilucidado algunos elementos del mecanismo físico. Las proteínas de reparación de desajustes (MMR), por ejemplo, son una familia reguladora bien conocida de proteínas, responsables de regular las secuencias de ADN no coincidentes durante la replicación y la regulación de escape. [29] El objetivo operativo de los MMR es la restauración del genotipo parental. Se sabe que una clase de MMR en particular, MutSβ, inicia la corrección de los desajustes de inserción-eliminación de hasta 16 nucleótidos. [29] Poco se sabe sobre el proceso de escisión en los eucariotas, pero las escisiones de E. coli implican la ruptura de una muesca en la cadena 5 'o 3', después de lo cual el ADN helicasa yLa ADN polimerasa III se une y genera proteínas monocatenarias, que son digeridas por exonucleasas y unidas a la cadena por ligasa . [29] Se han implicado múltiples vías de MMR en el mantenimiento de la estabilidad del genoma del organismo complejo, y cualquiera de los muchos fallos posibles en la vía de MMR resulta en errores de edición y corrección de ADN. [30] Por lo tanto, si bien no es seguro qué mecanismos conducen a errores de cruce no homólogo, es extremadamente probable que la vía MMR esté involucrada.
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