Unión Holliday

Las dos vías de recombinación homóloga en eucariotas, mostrando la formación y resolución de las uniones Holliday

La unión Holliday es un intermediario clave en la recombinación homóloga, un proceso biológico que aumenta la diversidad genética mediante el cambio de genes entre dos cromosomas, así como en los eventos de recombinación de sitio específico en los que participan las integrasas. Además, participan en la reparación de roturas de doble cadena. Además, las estructuras cruciformes que implican las uniones Holliday pueden surgir para aliviar la tensión helicoidal en las secuencias simétricas de las supercintas de ADN. Aunque las uniones de cuatro brazos también aparecen en moléculas de ARN funcionales, como el ARN spliceosomal U1 y la ribozima de horquilla del virus de las manchas anulares del tabaco, éstas suelen contener nucleótidos no emparejados entre los dominios dobles helicoidales emparejados, por lo que no adoptan estrictamente la estructura Holliday.

Las uniones Holliday en la recombinación homóloga se producen entre secuencias idénticas o casi idénticas, lo que conduce a una disposición simétrica de las secuencias alrededor de la unión central. Esto permite que se produzca un proceso de migración de ramas en el que las hebras se mueven a través del punto de unión. La escisión, o resolución, de la unión Holliday puede producirse de dos maneras. La ruptura del conjunto original de hebras da lugar a dos moléculas que pueden mostrar conversión genética pero no cruce cromosómico, mientras que la ruptura del otro conjunto de dos hebras hace que las moléculas recombinantes resultantes muestren cruce. Todos los productos, independientemente de la escisión, son heterodúplex en la región de migración de la unión Holliday.

Muchas proteínas son capaces de reconocer o distorsionar la estructura de la unión Holliday. Una de estas clases contiene enzimas de resolución de uniones que escinden las uniones, a veces de forma específica para cada secuencia. Dichas proteínas distorsionan la estructura de la unión de varias maneras, a menudo tirando de la unión hacia una conformación no apilada, rompiendo los pares de bases centrales y/o cambiando los ángulos entre los cuatro brazos. Otras clases son las proteínas de migración de rama que aumentan la tasa de intercambio en órdenes de magnitud, y las recombinasas específicas de sitio. En procariotas, las resolvasas de la unión Holliday se dividen en dos familias, las integrasas y las nucleasas, que son estructuralmente similares aunque sus secuencias no se conservan.

En eucariotas, dos modelos primarios sobre cómo la recombinación homóloga repara las roturas de doble cadena en el ADN son la vía de reparación de la rotura de doble cadena (DSBR) (a veces llamada modelo de la doble unión Holliday) y la vía de recocido de la cadena dependiente de la síntesis (SDSA). En el caso de la rotura de la doble cadena, el extremo 3′ se degrada y el extremo 5′ más largo invade la cromátida hermana contigua, formando una burbuja de replicación. Cuando esta burbuja se acerca al ADN roto, la cadena 5′ antisentido más larga vuelve a invadir la cadena sentido de esta porción de ADN, transcribiendo una segunda copia. Cuando la replicación termina, ambas colas se reconectan para formar dos uniones Holliday, que luego son escindidas en una variedad de patrones por las proteínas. Una animación de este proceso puede verse aquí.

Las roturas de doble cadena de ADN en las bacterias se reparan mediante la vía RecBCD de recombinación homóloga. Las roturas que se producen en una sola de las dos hebras de ADN, conocidas como brechas de una sola hebra, se cree que son reparadas por la vía RecF. Tanto la vía RecBCD como la RecF incluyen una serie de reacciones conocidas como migración de rama, en la que se intercambian cadenas de ADN simples entre dos moléculas de ADN dúplex entrecruzadas, y resolución, en la que esas dos moléculas de ADN entrecruzadas se cortan y se restauran a su estado normal de doble cadena. La recombinación homóloga se produce en varios grupos de virus. En los virus del ADN, como el herpesvirus, la recombinación se produce a través de un mecanismo de rotura y reconexión como en las bacterias y los eucariotas. En las bacterias, la migración de la rama es facilitada por el complejo RuvABC o la proteína RecG, motores moleculares que utilizan la energía de la hidrólisis del ATP para mover la unión. La unión debe entonces resolverse en dos dúplex separados, restaurando la configuración parental o una configuración cruzada. La resolución puede producirse de forma horizontal o vertical durante la recombinación homóloga, dando productos de parche (si están en la misma orientación durante la reparación de la rotura de la doble cadena) o productos de empalme (si están en orientaciones diferentes durante la reparación de la rotura de la doble cadena). RuvA y RuvB son proteínas de migración de ramificaciones, mientras que RuvC es una enzima de resolución de uniones.

Hay pruebas de recombinación en algunos virus de ARN, específicamente en los virus de ARNs de sentido positivo como los retrovirus, picornavirus y coronavirus. Hay controversia sobre si la recombinación homóloga se produce en los virus de ARNs de sentido negativo como la gripe.

ResoluciónEditar

En la levadura en ciernes Saccharomyces cerevisiae, las uniones Holliday pueden resolverse por cuatro vías diferentes que explican esencialmente toda la resolución de uniones Holliday in vivo. La vía que produce la mayoría de los cruces en la levadura en ciernes S. cerevisiae, y posiblemente en los mamíferos, implica a las proteínas EXO1, el heterodímero MLH1-MLH3 (llamado MutL gamma) y SGS1 (ortólogo de la helicasa del síndrome de Bloom). El heterodímero MLH1-MLH3 se une preferentemente a las uniones Holliday. Es una endonucleasa que realiza roturas de una sola hebra en el ADN de doble hebra superenrollado. El heterodímero MLH1-MLH3 promueve la formación de recombinantes cruzados. Mientras que las otras tres vías, en las que participan las proteínas MUS81-MMS4, SLX1 y YEN1, respectivamente, pueden promover la resolución de la unión Holliday in vivo, la ausencia de las tres nucleasas sólo tiene un impacto modesto en la formación de productos cruzados.

Los mutantes dobles suprimidos tanto para MLH3 (vía principal) como para MMS4 (vía secundaria) mostraron una reducción drástica del entrecruzamiento en comparación con el tipo salvaje (de 6 a 17 veces); sin embargo, la viabilidad de las esporas era razonablemente alta (62%) y la disyunción cromosómica parecía ser principalmente funcional.

Aunque MUS81 es un componente de una vía de cruce menor en la meiosis de la levadura en ciernes, las plantas y los vertebrados, en el protozoo Tetrahymena thermophila, MUS81 parece ser parte de una vía de cruce esencial, si no la predominante. La vía MUS81 también parece ser la vía de cruce predominante en la levadura de fisión Schizosaccharomyces pombe.

Las proteínas MSH4 y MSH5 forman una estructura hetero-oligomérica (heterodímero) en la levadura y los humanos. En la levadura Saccharomyces cerevisiae MSH4 y MSH5 actúan específicamente para facilitar los cruces entre cromosomas homólogos durante la meiosis. El complejo MSH4/MSH5 se une y estabiliza las uniones dobles de Holliday y promueve su resolución en productos de cruce. Un mutante hipomórfico de MSH4 (parcialmente funcional) de S. cerevisiae mostró una reducción del 30% en el número de cruces en todo el genoma y un gran número de meiosis con cromosomas no intercambiados. Sin embargo, este mutante dio lugar a patrones de viabilidad de las esporas que sugieren que la segregación de los cromosomas no intercambiados se produjo de forma eficiente. Así pues, en S. cerevisiae la segregación adecuada no parece depender totalmente de los cruces entre pares homólogos.