¿Cómo elige la maquinaria molecular dónde cortar un cromosoma para la recombinación?

De todos modos, en humanos y ratones, gran parte se reduce al reconocimiento de una secuencia específica que marca los puntos críticos de recombinación por PRDM9 . http://www.sciencemag.org/content/327/5967/836

Editar: me estoy expandiendo en respuesta al comentario a continuación ...

La recombinación meiótica ocurre a frecuencias mucho mayores en algunos lugares del genoma que en otros y estos se denominan puntos calientes de recombinación. Por ejemplo, la figura aquí, extraída de http://www.sciencemag.org/content/327/5967/876/F1.large.jpg

muestra la tasa de recombinación en el punto de acceso y más lejos para chimpancés y humanos.

Estos hotspots son reconocidos por la maquinaria de corte gracias a la unión de PRDM9, una proteína con dedos de zinc, a una secuencia de ADN que reconoce específicamente y está presente en los hotspots. La secuencia de ADN varía de una especie a otra (al igual que la secuencia y la función de PRDM9), pero en humanos es un motivo bien caracterizado de 13 pares de bases de largo y de la secuencia CCNCCNTNNCCNC (donde N es cualquiera de las 4 bases en el ADN) , y representa la actividad de casi el 40% de los puntos críticos conocidos.

El primer enlace que publiqué tiene evidencia que sugiere que la variación en la composición de PRDM9 es un factor determinante de qué puntos de acceso se utilizan. PRDM9, al parecer, estimula la formación de una modificación de histona específica: H3k4me3 (el ADN se envuelve alrededor de las histonas, hay cinco histonas: H1, H2A, H2B, H3, H4, y cada una de ellas tiene una cola que puede modificarse químicamente, y ocho de estos (2 de H2A, 2 de H2B, 2 de H3 y 2 de H4) forman un nucleosoma; en este caso, el cuarto residuo de lisina de la cola de la histona H3 está trimetilado según lo regulado por PRDM9, y facilita el entrecruzamiento y iniciación de la recombinación Editar resumen

La pregunta es muy amplia y complicada, ya que la situación puede diferir en procariotas y eucariotas. Sin embargo, estoy citando un buen artículo que está estrechamente relacionado con su pregunta:

Los estudios en levadura muestran que el inicio de la recombinación, que ocurre por la formación de rupturas de doble cadena de ADN, determina la distribución de eventos de conversión y cruce de genes que tienen lugar en intervalos cercanos. Datos recientes en humanos y ratones también indican la presencia de sitios de iniciación altamente localizados que promueven cruces agrupados alrededor de la región de iniciación y parecen compartir características comunes con sitios en levadura. A mayor escala, se han identificado dominios cromosómicos con diversas tasas de recombinación desde levaduras hasta mamíferos. Esto indica un mayor nivel de regulación de la recombinación en el genoma con posibles consecuencias en la estructura del genoma... ...Las roturas de doble hebra (DSB) se producen en regiones muy localizadas y se extienden entre 70 y 250 pb. El análisis de la secuencia de ADN no revela secuencias de consenso conservadas únicas, aunque un motivo degenerado de 50 pb se correlaciona parcialmente con los sitios DSB. Sin embargo, una característica común es que los DSB están ubicados en regiones accesibles de la cromatina junto a los promotores o sitios de unión para factores de transcripción. Según dos estudios, la actividad de DSB no se correlaciona con la actividad transcripcional local, sino que depende de la unión del factor de transcripción (HIS4 en S. cerevisiae y ade6-M26 en S. pombe).

Bernard de Massy, ​​Distribución de sitios de recombinación meiótica. TENDENCIAS en Genética Vol.19 No.9 Septiembre 2003

Lo resumiré en una forma más parecida a una respuesta. Parece que el proceso no es aleatorio, porque los eventos de ruptura de doble cadena claramente no están distribuidos uniformemente en un genoma. Como dice el documento, hasta el momento no se han encontrado motivos de consenso específicos, aunque claramente hay algo especial antes de los promotores y los sitios de unión de TF, lo que los hace más propensos a ser un sitio de ruptura. ¿Cómo elige la maquinaria el lugar? Una vez más, como dice el documento, el evento de ruptura depende de la unión de TF. Pero eso es para S. cerevisiae. Hay 17 puntos calientes encontrados en genomas humanos y de ratones, algunos de los cuales son intergénicos (ocupan intrones o regiones flanqueantes 5'/3').

Aquí está la distribución de las frecuencias de recombinación en un cromosoma (la figura está tomada del artículo).

Aquí hay una lista de sitios de recombinación en humanos y ratones.

En la meiosis se produce la recombinación homóloga. Dos proteínas Spo11 utilizan tirosinas para inducir una ruptura de doble cadena en el ADN. Spo11 no tiene un sitio de escisión específico . Sin embargo, la escisión por Spo11 condujo al descubrimiento de complejos de Spo11-oligonucleótido (Spo11 con post-escisión del oligonucleótido adjunto) que podrían mapearse en "puntos críticos" en los que el estudio vinculado encuentra una serie de factores discriminatorios para la escisión de Spo11 en la meiosis:

A partir de las ubicaciones precisas de los 2,2 millones de secuencias de oligonucleótidos Spo11, Pan et al. [1] mostró que la composición del ADN local también influye en los sitios de escisión de Spo11. Como se esperaba de estudios previos, Spo11 no tiene un sitio específico de reconocimiento o división. Sin embargo, se detectaron sesgos de secuencia: los 10 a 12 pb que rodean el sitio de escisión y se predijo que se unirían directamente a Spo11 son relativamente ricos en AT, lo que predice ranuras helicoidales relativamente estrechas y profundas frente al dímero Spo11 unido. La escisión favorece los sitios inmediatamente 3' de una C y desfavorece a G en la misma posición. Además, dentro de un núcleo de 32 pb que rodea los sitios de escisión de Spo11, se puede discernir una simetría rotacional doble para la composición de dinucleótidos complementarios, lo que sugiere contribuciones separadas de los "semisitios" flanqueantes a la unión y/o escisión de Spo11. Además, Los sitios de escisión se correlacionan negativamente con los nucleosomas posicionados. De manera similar, Spo11 generalmente se ocluye de los sitios de escisión donde se unen los factores de transcripción, aunque los sitios de unión de varios factores de transcripción diferentes se correlacionan positivamente con los sitios de puntos críticos.

Si bien todas las respuestas anteriores son correctas y reveladoras para el proceso de formación de DSB, la recombinación tiene otra capa de complejidad.

Es más probable que mediar en la segregación cromosómica adecuada sea el punto real de los cruces, ya que los cruces todavía ocurren en genomas endogámicos., que no dan como resultado nuevos haplotipos. CO crea una estructura heterodúplex entre hebras de ADN, uniones Holliday. Esta estructura crea fuerzas de tensión que son necesarias para pasar el punto de control del ensamblaje del huso antes de que la célula meiótica pueda progresar a la anafase (consulte los artículos de Nicklas sobre los cromosomas de saltamontes y Hirose et al 2011). En la mayoría* de los organismos, se necesita al menos un CO por brazo cromosómico para pasar el punto de control del ensamblaje del huso y mediar en la disyunción adecuada. La falta de CO o los CO fuera de lugar pueden dar lugar a la falta de disyunción y un mayor riesgo de aneuploidía (Hassold, Hall, Hunt 2007). (*una excepción son los machos de Drosophila melanogaster, que tienen una vía de segregación cromosómica independiente del CO).

Además, debe tenerse en cuenta que DSB =/= CO, es decir, no todos los DSB se convierten en CO. En todos los organismos, los DSB superan en número a los CO resultantes. La mayoría de los DSB se resuelven en no cruzados (NCO). Hay nueva evidencia (al menos en ratones) de que estos números no son proporcionales. Es decir, si se reducen los DSB totales en el genoma, el número total de CO no se ve afectado. (Cole et al 2012).

Creo que una redacción más interesante de su pregunta sería: ¿Cómo elige el genoma qué DSB se resuelve en CO frente a NCO ?