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7.8:

Ricombinazione omologa

JoVE Core
Molecular Biology
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JoVE Core Molecular Biology
Homologous Recombination

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Un requisito essenziale della replicazione del DNA è di mantenere l’integrità del materiale genetico. per questo motivo, le interruzioni a doppio filamento sono riparate preferenzialmente dalla ricombinazione omologa;ciò è tipicamente effettuato dopo la sintesi del DNA, quando le due molecole del DNA figlio sono in prossimità ed una può servire come stampo per la riparazione dell’altra. Negli eucarioti, un complesso proteico chiamato MRN, composto da nucleasi specializzate, degrada le estremità danneggiate del DNA mentre le estremità sono tra loro legate.Il DNA viene lasciato con sporgenze a singolo filamento di tre a quattro nucleotidi con una fine OH a 3 primi. Questa sezione a singolo filamento è stabilizzata dalle proteine RPA 00:00:46.290 00:00:51.360 fino a RAD51, l’omologo della proteina procariotica RecA;sono attivate dall’ATP e si legano al DNA formando un filamento. Nel filamento, il DNA esiste come triplette di nucleotidi dove la struttura del DNA viene svolta tra le triplette adiacenti.Questo filamento di proteina di DNA viene legato ad un DNA duplex da un cromatide fratello allungando il template intatto di DNA e destabilizzandolo, in modo che i due filamenti possano 00:01:17.130 00:01:20.040 essere facilmente messi da parte e che il filamento rotto possa tentare di legarsi al template in un processo conosciuto come invasione del filamento. Il filamento invadente cerca sequenze omologhe non danneggiate nel DNA genomico per poter formare le coppie di basi in un blocco di tre nucleotidi. Se le coppie di basi non corrispondono, il DNA invadente si dissocia e cerca altre regioni omologhe.Se una tripletta del filamento invasore corrisponde al modello, allora i tre nucleotidi successivi vengono valutati. Se una sequenza corrisponde per un tratto di almeno cinque triplette, viene formata una struttura ad anello di spostamento con la DNA polimerasi usando il filamento invaso come modello. In seguito, un’elicasi, sposta il filamento invadente, ora esteso, che si accoppia con il filamento danneggiato non rivestito.Successivamente, il secondo filamento danneggiato si ricongiunge al filamento complementare del DNA stampo, per un altro ciclo di sintesi del DNA. Infine, i filamenti fratelli si dissociano. e una DNA ligasi sigilla i nick, restaurando le eliche riparate e assicurando la riparazione accurata del cromosoma intatto.

7.8:

Ricombinazione omologa

The basic reaction of homologous recombination (HR) involves two chromatids that contain DNA sequences sharing a significant stretch of identity. One of these sequences uses a strand from another as a template to synthesize DNA in an enzyme-catalyzed reaction. The final product is a novel amalgamation of the two substrates. To ensure an accurate recombination of sequences, HR is restricted to the S and G2 phases of the cell cycle. At these stages, the DNA has been replicated already and the likelihood of an identical or similar DNA sequence on a sister chromatid is high. Thus, the timing of repair prevents recombination between non-identical sequences. This is a critical feature of HR, particularly during the recombination of parental DNA sequences in an offspring, where faulty HR can lead to loss of the entire gene and the surrounding chromosomal region.

The accurate repair ensured by HR has been applied in gene-editing techniques. HR is the earliest method that has been used to edit genomes in living cells. The CRISPR-Cas9 system is used to create targeted double-strand breaks to correct disease-causing mutations in the genome. The isolated fragments are taken up by cells, where they can recombine with cellular DNA and replace the targeted region of the genome. HR mechanisms govern the repair of the breaks and their accurate recombination with the cellular genome. To help the HR proteins localize precisely at double-strand breaks, Cas9 proteins are fused with HR effector proteins that can recruit repair proteins at the damaged sites. Studies have shown that fusing Cas9 with proteins such as CtIP, Rad52, and Mre11 can increase HR events in the cell by two-folds while discouraging Non-homologous end joining. Such applications of HR in genome editing can revolutionize gene therapy and provide treatment for genetic diseases that are currently considered incurable.

Suggested Reading

  1. Tran, Ngoc Tung, Sanum Bashir, Xun Li, Jana Rossius, Van Trung Chu, Klaus Rajewsky, and Ralf Kühn. "Enhancement of precise gene editing by the association of Cas9 with homologous recombination factors." Frontiers in genetics 10 (2019): 365.
  2. Barrangou, Rodolphe, and Jennifer A. Doudna. "Applications of CRISPR technologies in research and beyond." Nature biotechnology 34, no. 9 (2016): 933.
  3. Li, Xuan, and Wolf-Dietrich Heyer. "Homologous recombination in DNA repair and DNA damage tolerance." Cell research 18, no. 1 (2008): 99.