I diversi modelli per la ricombinazione omologa

Parecchi anni fa, eleganti esperimenti, condotti utilizzando l'incorporazione di isotopi pesanti nel DNA, permisero di avere la prima visione molecolare del processo della ricombinazione omologa. Infatti, lo stesso approccio che utilizzarono Meselson e Stahl per dimostrare la semiconservatività della replicazione del DNA, portò a scoprire che, al contrario, la ricombinazione è conservativa ed è caratterizzata dalla diretta rottura e riunione di molecole di DNA. Con il passare degli anni sono stati proposti diversi modelli per spiegare questo meccanismo e tutti condividono i seguenti passaggi chiave:

1. Allineamento di due molecole di DNA omologhe. Per omologhe intendiamo due sequenze di DNA identiche, o quasi identiche, per una regione di almeno un centinaio di basi;
2. Introduzione di rotture nel DNA. Le rotture possono coinvolgere un solo filamento o entrambi i filamenti della doppia elica;
3. Formazione, tra le due molecole di DNA che ricombinano, di una corta regione di appaiamento tra le basi. Questo appaiamento si verifica quando una regione di DNA a singolo filamento, che deriva da una molecola parentale, si appaia con il filamento complementare, appartenente alla molecola omologa. In questo caso si parla d'invasione del filamento. A questo punto, le due molecole di DNA sono connesse tra di loro in una struttura a croce detta giunzione di Holliday;
4. Movimento della giunzione di Holliday, che può scorrere lungo il DNA mediante la continua fusione e formazione di appaiamenti tra le basi. Questo processo è chiamato migrazione del chiasma;
5. Taglio della giunzione di Holliday che porta alla formazione di due molecole di DNA separate che hanno terminato lo scambio genetico. Questo processo è noto come risoluzione.

Il modello di Holliday rappresenta un modello per la ricombinazione omologa semplice e storicamente importante, sebbene oggi sappiamo che la ricombinazione prevede neosintesi del DNA, evento del tutto assente in questo modello. Comunque nel rappresentare questo processo è utile allineare le due molecole di DNA omologhe che sebbene pressoché identiche, presentano diversi alleli dello stesso gene (A/a, B/b, C/c), particolarmente utili per comprendere questo processo. La ricombinazione inizia con l'introduzione di una rottura a singolo filamento (nick) su ogni molecola di DNA, in un'identica posizione. I filamenti di DNA vicini al sito dell'incisione possono quindi venire staccati dai loro filamenti complementari, rendendo questi filamenti liberi di invadere ed appaiarsi con la doppia elica omologa. L'invasione del filamento porta alla giunzione di Holliday, l'intermedio chiave della ricombinazione. Quest'ultima può ora scorrere lungo il DNA per migrazione del chiasma ed è proprio questa migrazione ad aumentare la lunghezza del DNA che viene scambiata. Se le due molecole di DNA non sono identiche ma, per esempio, hanno alcune piccole differenze di sequenza, come per due alleli dello stesso gene, la migrazione del chiasma attraverso queste regioni di non perfetta complementarietà conduce alla formazione di molecole di DNA che presentano uno o più mismatch. Queste regioni del DNA vengono dette eteroduplex e la riparazione di questi errati appaiamenti può avere importanti conseguenze. Per terminare l'evento di ricombinazione è necessario risolvere la giunzione di Holliday e questo avviene tagliando i filamenti di DNA vicino al chiasma. La risoluzione può avvenire in due diversi orientamenti e, quindi, originare due tipi diversi di prodotti. Infatti, un taglio può essere fatto sui due filamenti di DNA che non sono stati rotti all'inizio della reazione. Se questi sono i due filamenti che vengono tagliati e poi uniti covalentemente, le molecole di DNA che derivano da questo evento vengono chiamati prodotti di ricombinazione “uniti” (splice) e questo perché le due doppie eliche originali sono ora unite in maniera tale che porzioni appartenenti a molecole di DNA parentale diverse sono covalentemente unita da una regione a doppio filamento ibrida. Quindi, la formazione di questi prodotti d'unione porta al riassortimento dei geni adiacenti al sito di ricombinazione. Perciò questo tipo di molecola ricombinante viene anche detta prodotto del crossing over. Al contrario, il secondo tipo di taglio possibile per risolvere la giunzione di Holliday avviene sui due filamenti di DNA che erano stati rotti per iniziare la ricombinazione. Dopo la risoluzione e l'unione covalente dei filamenti a livello di questi siti, le molecole di DNA prodotte contengono una regione o “patch” di DNA ibrido. Per questo motivo queste molecole sono chiamate prodotti patch. In essi la ricombinazione non porta al riassortimento dei geni che fiancheggiano il punto del taglio e, pertanto, queste molecole vengono anche chiamate prodotti del non incrocio (non crossing-over).
La ricombinazione omologa spesso ,però, può iniziare da delle rotture a doppio filamento presenti nel DNA, che possono essere anche letali per i batteri. Un modello comune che descrive questo tipo di scambio genetico è il sistema di riparazione delle rotture a doppio filamento. Anche questo modello parte dall'allineamento dei cromosomi omologhi ma l'evento scatenante è l'introduzione di una rottura a doppio filamento in una delle due molecole di DNA. L'altra doppia elica rimane intatta. Questo modello risulta essere più promettente rispetto a quello di Holliday, in quanto le rotture a doppio filamento avvengono piuttosto frequentemente. Comunque, una volta introdotta la rottura a doppio filamento, una nucleasi degrada progressivamente la molecola di DNA rotta producendo delle regioni a singolo filamento, note come code di DNA a singolo filamento, che terminano con l'estremità 3'. Il passaggio successivo consiste nell'invasione del DNA omologo ed intatto da parte delle code di DNA a singolo filamento. A questo punti, il filamento che invade si appaia con il proprio filamento complementare sull'altra molecola di DNA. Inoltre, dal momento che i filamenti che invadono terminano con un estremità 3', possono servire da primer per la sintesi di nuovo DNA. L'allungamento di queste estremità, compiuto utilizzando come stampo il filamento complementare della doppia elica omologa, riforma quelle regioni di DNA che erano state distrutte dalla nucleasi. A questo punto, le due giunzioni di Holliday che si ritrovano negli intermedi di ricombinazione e che sono state generate con questo modello si muovono per migrazione del chiasma e, infine, vengono risolte per terminare la ricombinazione. Ancora una volta, a seconda di quali filamenti vengono tagliati nella risoluzione, i prodotti finali contengono o non contengono i geni riassortiti nelle regioni fiancheggianti il sito di ricombinazione.