La ricombinazione omologa negli eucarioti

Come per i batteri, anche negli eucarioti la ricombinazione omologa serve a riparare il DNA e a recuperare delle forche di replicazione bloccate, tuttavia ha anche delle funzioni aggiuntive. Innanzitutto, la ricombinazione omologa è fondamentale per la meiosi, in quanto è necessaria per un corretto appaiamento dei cromosomi e, quindi, per il mantenimento dell'integrità genomica. Inoltre, proprio questa ricombinazione ridistribuisce i geni tra i cromosomi parentali, garantendo una certa variabilità nella composizione genica tramandata alla generazione successiva. Come sappiamo, la meiosi è caratterizzata da due eventi di divisione nucleare, che portano ad una riduzione della quantità di DNA cellulare, dal normale contenuto diploide (2N) a quello presente nei gameti (1N). Prima della divisione, le cellule contengono due copie di ogni cromosoma (gli omologhi), ciascuna delle quali è stata ereditata dai due genitori. Durante la fase S, i cromosomi vengono replicati dando un contenuto totale in DNA pari a 4N. I prodotti della replicazione, i cromatidi fratelli, restano uniti. In seguito per prepararsi alla prima divisione nucleare, questi cromosomi omologhi duplicati si devono appaiare ed allineare nel centro della cellula. La ricombinazione omologa è richiesta proprio per l'appaiamento degli omologhi. In assenza di ricombinazione, molto spesso i cromosomi non si allineano in maniera corretta per la prima divisione meiotica, e questo porta ad un'elevata frequenza di perdita dei cromosomi (non-disgiunzione). Comunque si definisce ricombinazione meiotica la ricombinazione omologa che avviene durante la meiosi, precisamente nella prima profase meiotica.
Il programma di sviluppo che permette alle cellule di completare con successo la meiosi prevede l'attivazione dell'espressione di molti geni che nelle normali condizioni di crescita non sono richiesti. Uno di questi è SPO11 che codifica per una proteina che, per iniziale la ricombinazione meiotica, introduce nel DNA cromosomico delle rotture a doppio filamento. La proteina Spo11, infatti, taglia in DNA in molti punti con poca selettività di sequenza ma con grande specificità temporale. Infatti questi tagli avvengono proprio nel momento in cui i cromosomi omologhi duplicati iniziano ad appaiarsi. In generale, i tagli effettuati da Spo11 si trovano in prossimità di regioni cromosomiche non strettamente associate ai nucleosomi che quindi vengono usati come siti chi. A questo punto, per effettuare il taglio, la catena laterale di una specifica tirosina della proteina Spo11 attacca la catena fosfodiesterica, quindi si viene a formare un complesso Spo11-DNA. Successivamente due subunità della proteina tagliano il DNA a distanza di due nucleotidi per formare una rottura a doppio filamento sfalsata. Le estremità 5' del DNA a livello del sito di taglio di Spo11 rimangono legate covalentemente all'enzima e costituiscono i siti iniziali di processamento del DNA, necessari per formare le code di DNA a singolo filamento, richieste per assemblare le proteine simili a RecA e per iniziare l'invasione del filamento. A questo punto interviene il complesso enzimatico MRX, che svolge le stesse funzioni di RecBCD dei batteri. Infatti, anche questo complesso è una DNA nucleasi formata da più subunità: Mre11, Rad50 e Xrs2. Il processamento del DNA sulla rottura avviene, dunque, esclusivamente sul filamento che termina con un'estremità 5'. I filamenti che terminano con l'estremità 3' non vengono degradati. Questa reazione di processamento del DNA è detta accorciamento dal 5' al 3'. Tale accorciamento dipende da MRX e porta alla formazione di lunghe code, spesso di una o più kilobasi, a singolo filamento con l'estremità 3'. Si pensa che il complesso MRX rimuova anche il DNA legato a Spo11.

Gli eucarioti codificano per due omologhi ben caratterizzati della proteina batterica RecA: Rad51 e Dmc1. Entrambe le proteine svolgono una funzione nella ricombinazione meiotica. Mentre Rad51 è largamente espressa nelle cellule che si dividono sia meioticamente che mitoticamente, Dmc1 è espressa solo nelle cellule che entrano in meiosi. Inoltre, la ricombinazione mediata da Dmc1 avviene preferenzialmente tra cromatidi omologhi non fratelli, piuttosto che tra fratelli.