Joncțiunea Holliday

Cele două căi de recombinare omoloagă la eucariote, arătând formarea și rezolvarea joncțiunilor Holliday

Joncțiunea Holliday este un intermediar cheie în recombinarea omoloagă, un proces biologic care mărește diversitatea genetică prin deplasarea genelor între doi cromozomi, precum și în evenimentele de recombinare site-specifice care implică integrase. De asemenea, ele sunt implicate în repararea rupturilor de dublu catenă. În plus, structurile cruciforme care implică joncțiunile Holliday pot apărea pentru a ușura tensiunea elicoidală în secvențele simetrice din superbobinele ADN. În timp ce joncțiunile cu patru brațe apar, de asemenea, în moleculele de ARN funcționale, cum ar fi ARN-ul spliceosomal U1 și ribozima în formă de ac de păr a virusului de pată inelară a tutunului, acestea conțin, de obicei, nucleotide nepereche între domeniile dublu-helicoidale împerecheate și, prin urmare, nu adoptă strict structura Holliday.

Joncțiunile Holliday în recombinarea omoloagă sunt între secvențe identice sau aproape identice, ceea ce duce la o dispunere simetrică a secvențelor în jurul joncțiunii centrale. Acest lucru permite apariția unui proces de migrare a ramificațiilor în care șirurile se deplasează prin punctul de joncțiune. Despicarea sau rezolvarea joncțiunii Holliday poate avea loc în două moduri. Clivarea setului original de șiruri conduce la două molecule care pot prezenta conversie genetică, dar nu încrucișare cromozomială, în timp ce clivarea celuilalt set de două șiruri face ca moleculele recombinante rezultate să prezinte încrucișare. Toți produsele, indiferent de clivaj, sunt heteroduplexe în regiunea de migrare a joncțiunii Holliday.

Multe proteine sunt capabile să recunoască sau să denatureze structura joncțiunii Holliday. O astfel de clasă conține enzime de rezolvare a joncțiunii care clivează joncțiunile, uneori într-un mod specific secvenței. Astfel de proteine denaturează structura joncțiunii în diferite moduri, adesea trăgând joncțiunea într-o conformație neasamblată, rupând perechile de baze centrale și/sau modificând unghiurile dintre cele patru brațe. Alte clase sunt proteinele de migrare a ramurilor, care măresc rata de schimb cu câteva ordine de mărime, și recombinazele specifice locului. La procariote, rezolvările joncțiunii Holliday se împart în două familii, integrase și nucleaze, care sunt fiecare asemănătoare din punct de vedere structural, deși secvențele lor nu sunt conservate.

La eucariote, două modele primare pentru modul în care recombinarea omoloagă repară rupturile de dublu catenar în ADN sunt calea de reparare a rupturii de dublu catenar (DSBR) (denumită uneori modelul dublei joncțiuni Holliday) și calea de recoacere a catenei dependentă de sinteză (SDSA). În cazul ruperii dublei catene, capătul 3′ este degradat, iar capătul 5′ mai lung invadează cromatida soră contiguă, formând o bulă de replicare. Pe măsură ce această bulă se apropie de ADN-ul rupt, șirul antisens 5′ mai lung invadează din nou șirul sens al acestei porțiuni de ADN, transcriind o a doua copie. Când replicarea se termină, ambele cozi sunt reconectate pentru a forma două joncțiuni Holliday, care sunt apoi scindate într-o varietate de modele de către proteine. O animație a acestui proces poate fi văzută aici.

Rupturile de ADN dublu catenar la bacterii sunt reparate prin calea RecBCD de recombinare omologă. Rupturile care apar doar pe unul dintre cele două șiruri de ADN, cunoscute sub numele de lacune monocatenare, se crede că sunt reparate prin calea RecF. Atât calea RecBCD, cât și calea RecF includ o serie de reacții cunoscute sub numele de migrare a ramificațiilor, în care se face schimb de șiruri simple de ADN între două molecule de ADN duplex încrucișate, și de rezolvare, în care aceste două molecule de ADN încrucișate sunt separate și readuse la starea lor normală bicatenară. Recombinarea omoloagă are loc în mai multe grupuri de virusuri. La virusurile ADN, cum ar fi herpesvirusul, recombinarea are loc printr-un mecanism de rupere și reîmperechere, la fel ca la bacterii și eucariote. La bacterii, migrarea ramificațiilor este facilitată de complexul RuvABC sau de proteina RecG, motoare moleculare care utilizează energia hidrolizei ATP pentru a deplasa joncțiunea. Joncțiunea trebuie apoi să fie rezolvată în două duplexuri separate, restabilind fie configurația parentală, fie o configurație încrucișată. Rezolvarea poate avea loc în mod orizontal sau vertical în timpul recombinării omoloage, dând produse de patch (în cazul în care se află în aceeași orientare în timpul reparării ruperii dublei catene) sau produse de îmbinare (în cazul în care se află în orientări diferite în timpul reparării ruperii dublei catene). RuvA și RuvB sunt proteine de migrare a ramificațiilor, în timp ce RuvC este o enzimă de rezolvare a joncțiunilor.

Există dovezi de recombinare la unele virusuri ARN, în special la virusurile ARNSS cu sens pozitiv, cum ar fi retrovirusurile, picornavirusurile și coronavirusurile. Există controverse cu privire la faptul dacă recombinarea omoloagă are loc în virusurile cu ARNSS cu sens negativ, cum ar fi virusul gripal.

RezoluțieEdit

În drojdia înmugurită Saccharomyces cerevisiae, joncțiunile Holliday pot fi rezolvate prin patru căi diferite care reprezintă în esență toată rezoluția joncțiunilor Holliday in vivo. Calea care produce majoritatea încrucișărilor la drojdia înmugurită S. cerevisiae și, posibil, la mamifere, implică proteinele EXO1, heterodimerul MLH1-MLH3 (numit MutL gamma) și SGS1 (ortologul elicozei sindromului Bloom). Heterodimerul MLH1-MLH3 se leagă preferențial de joncțiunile Holliday. Este o endonuclează care produce rupturi monocatenare în ADN bicatenar supraînfășurat. Heterodimerul MLH1-MLH3 favorizează formarea de recombinanți crossover. În timp ce celelalte trei căi, care implică proteinele MUS81-MMS4, SLX1 și, respectiv, YEN1, pot promova rezoluția joncțiunii Holliday in vivo, absența tuturor celor trei nucleaze are doar un impact modest asupra formării produselor de crossover.

Mutanții dubli eliminați atât pentru MLH3 (calea majoră), cât și pentru MMS4 (calea minoră) au prezentat un crossing over dramatic redus în comparație cu tipul sălbatic (de 6 până la 17 ori); cu toate acestea, viabilitatea sporilor a fost rezonabil de ridicată (62%) și disjuncția cromozomială a părut în mare parte funcțională.

Deși MUS81 este o componentă a unei căi de încrucișare minore în meioza drojdiei înmugurite, a plantelor și a vertebratelor, la protozoarul Tetrahymena thermophila, MUS81 pare să facă parte dintr-o cale de încrucișare esențială, dacă nu chiar predominantă. Calea MUS81 pare să fie, de asemenea, calea de încrucișare predominantă în drojdia de fisiune Schizosaccharomyces pombe.

Proteinele MSH4 și MSH5 formează o structură hetero-oligomerică (heterodimer) în drojdie și la om. La drojdia Saccharomyces cerevisiae MSH4 și MSH5 acționează în mod specific pentru a facilita încrucișările între cromozomi omologi în timpul meiozei. Complexul MSH4/MSH5 se leagă și stabilizează joncțiunile duble Holliday și promovează rezoluția acestora în produse de încrucișare. Un mutant hipomorf MSH4 (parțial funcțional) de S. cerevisiae a prezentat o reducere de 30% a numărului de încrucișări la nivelul întregului genom și un număr mare de meioze cu cromozomi care nu se schimbă. Cu toate acestea, acest mutant a dat naștere unor modele de viabilitate a sporilor care sugerează că segregarea cromozomilor care nu se schimbă a avut loc în mod eficient. Astfel, la S. cerevisiae, se pare că o segregare adecvată nu depinde în întregime de încrucișările dintre perechile omologe.

.