Il cambio del gruppo di compatibilità

Oltre a promuovere l'appaiamento del DNA, la sua riparazione e lo scambio genetico, la ricombinazione omologa può anche servire a scambiare sequenze di DNA, in specifici punti del cromosoma. Questo tipo di ricombinazione, a volte, viene usata per regolare l'espressione genica. Per esempio, la ricombinazione controlla il gruppo di compatibilità (mating type) del lievito S. cerevisiae, scambiando i geni del mating type in una posizione precisa del genoma trascrizionalmente attiva. S. cerevisiae, è un eucariote unicellulare, che può trovarsi sotto forma di tre diversi tipi cellulari. Le cellule di S. cerevisiae, aploidi possono essere di due gruppi di compatibilità diversi, a o α. Quando una cellula a ed una α si incontrano, possono incrociarsi producendo una cellula diploide a/α. Questa cellula può quindi andare in meiosi producendo due cellule aploidi a e due cellule aploidi α. I geni dei gruppi di compatibilità codificano per dei fattori trascrizionali che controllano l'espressione di specifici geni bersaglio, i cui prodotti definiscono ogni tipo cellulare. In ogni tipo cellulare i geni del gruppo di compatibilità espressi sono quelli presenti nella cellula a livello del locus del mating type (il locus MAT). Di conseguenza nelle cellule a, il gene a1 si trova nel locus MAT, mentre nelle cellule α, cono presenti α1 e α2. Nelle cellule diploidi, invece, sono espressi entrambi i geni che controllano il gruppo di compatibilità. Però, oltre ai geni a e α presenti, in ogni cellula, a livello del locus MAT, altrove nel genoma, c'è un'altra copia (non espressa) di questi geni. Queste copie, aggiuntive e silenti, si trovano in corrispondenza dei loci detti HMR e HML. Questi loci sono perciò noti come cassette silenti. La loro funzione è quella di rappresentare un “magazzino” d'informazione genetica, che può essere usata per cambiare ad una cellula il gruppo di compatibilità, attraverso la ricombinazione omologa.
Il cambio del gruppo di compatibilità inizia con l'introduzione di una rottura a doppio filamento a livello del locus MAT. Una nucleasi speciale, detta endonucleasi HO, compie questa reazione riconoscendo sequenze specifiche presenti solo nel locus MAT. Il taglio di HO introduce una rottura sfalsata nel cromosoma e non rimane legato ai filamenti tagliati, come succedeva per Spo11. L'accorciamento 5'→3' del DNA, a livello del sito di taglio di HO, avviene con lo stesso meccanismo usato nella ricombinazione meiotica. Di conseguenza, questa idrolisi dipende dal complesso della proteina MRX ed è specifica per questi filamenti che terminano con un'estremità 5'. Comunque, lo scambio del gruppo di compatibilità è unidirezionale; l'informazione di sequenza (e non il segmento di DNA) viene spostata sul locus MAT, da HMR e HML, ma l'informazione non “va” mai nell'altra direzione. Comunque, sebbene il meccanismo di riparazione dei DSB possa rendere ragione della ricombinazione che scambia il gruppo di compatibilità, non si assiste mai alla formazione dei prodotti della ricombinazione del tipo “crossover”. Per spiegare la conversione genica, senza il crossing over, è stato proposto un nuovo modello detto ibridazione del filamento dipendente dalla sintesi (synthesis-dependent strand annealing, SDSA). L'evento iniziale, come descritto precedentemente, è dato dall'introduzione di una rottura a doppio filamento sul sito di ricombinazione. Dopo l'invasione del filamento, l'estremità 3' che ha invaso, funge da innesco per iniziare la nuova sintesi del DNA. Quindi, al contrario di quanto accade nel meccanismo di riparazione dei DSB, su questo sito viene assemblata una forca replicativa completa. A differenza della normale replicazione, tuttavia i filamenti di nuova sintesi sono allontanati dallo stampo. Ne consegue che un nuovo segmento di DNA a doppio filamento viene sintetizzato, unito al sito che era stato originariamente tagliato da HO, e accorciato da MRX. Questo nuovo segmento di DNA ha la stessa sequenza del segmento usato come stampo (HMRa nella figura). Per porre fine alla ricombinazione è necessario che l'altro “vecchio” filamento presente sul sito MAT (l'estremità 3' non tagliata da MRX) sia rimosso. Quindi il DNA di neosintesi sostituisce l'informazione originariamente presente. Questo meccanismo spiega, quindi, come un evento di conversione genica possa avvenire in assenza di una giunzione di Holliday.