CONFERENCIA

RECOMBINACIÓN DEL DNA

(continuación, pág. 4)

Sumario

Aspectos generales
Recombinación homóloga
Enzimología de la recombinación homóloga en E. coli
Recombinación específica de sitio
Transposición
Mecanismos y modelos de transposición


Transposición

La transposición es un mecanismo especial de recombinación, totalmente diferente de los vistos hasta ahora. Un segmento del DNA puede saltar de una zona a otra del genoma, dicho segmento se llama transposón o elemento genético transponible. Los elementos genéticos transponibles no se encuentran nunca aislados, siempre están integrados. Generalmente, los elementos genéticos transponibles no presentan ninguna homología de secuencia con los DNAs donde se integran. Como consecuencia se producen mutaciones en los sitios donde se insertan los transposones. Debido a esto la transposición ha de estar altamente regulada y por tanto ocurre con una frecuencia muy baja: 10-3 - 10-4. Este fenómeno se conoce desde hace tiempo, lo observó Bárbara McClintok mientras estudiaba genéticamente la variegación del maíz. Postuló que eran necesarios unos "genes que saltaban". Más tarde, en los años 50, en hospitales japoneses se observó la aparición súbita de cepas bacterianas que presentaban múltiples resistencias a antibióticos, la base de lo que se conoce como enfermedades hospitalarias. Aunque fisiológicamente distintos, ambos fenómenos están molecularmente relacionados.

Los genes que llevaban la resistencia a esos antibióticos se propagaban de unas cepas a otras rápidamente. El empleo masivo de antibióticos lleva consigo que se seleccionen las cepas más resistentes, lo que aumenta la probabilidad de que los genes de resistencia se propaguen vía transposición. La transposición puede llevarse a cabo de dos maneras:

» Vía RNA, un fragmento de RNA previamente copiado a DNA por la transcriptasa reversa, pasa a otro DNA. Los retrovirus se transponen por un intermediario de RNA.

» Vía DNA, un fragmento de DNA pasa a otro DNA (es el tipo de transposición que vamos a tratar).

En la transposición están implicados tres sitios: los extremos del transposón y el sitio de integración. Existen diferentes mecanismos de transposición con distintas consecuencias:

(a)

(b)

(c)


La transposición puede ser simple, si el transposón pasa de un sitio a otro sin replicarse (b), o replicativa, si el transposón se replica, pasando una copia al DNA receptor, y permaneciendo la otra en el DNA donante (a). Al igual que un transposón pasa de un DNA a otro, puede ir de un sitio a otro en la misma molécula de DNA; en este caso también puede darse una transposición replicativa con lo que el DNA adquiere varias copias del transposón. Se crean zonas móviles de homología susceptibles de recombinación, de modo que pueden producirse inversiones o deleciones en función de la orientación de esos elementos móviles. Recordemos que una recombinación entre dos elementos que tienen polaridad inversa produce una inversión y una recombinación entre elementos con la misma polaridad da lugar a una deleción. El otro tipo de transposición es la conservativa (c), la cual involucra el movimiento directo sin pérdida de enlaces, de forma similar a lo estudiado en la integración y escisión del fago lambda. Resumiendo, la transposición da lugar a mutaciones y reordenamientos génicos (inversiones, deleciones e inserciones).

Los transposones se encuentran en todos los tipos de organismos: levaduras, plantas, Drosophila, etc., pero vamos a centrarnos en los bacterianos. La proteína que lleva a cabo la transposición es la transposasa, que ha de reconocer unas señales en el propio transposón, señales que son secuencias repetidas e invertidas (RIs ó IRs) localizadas en los extremos del transposón. Los transposones más simples son los llamados secuencias de inserción o elementos IS (insertion sequences). Una secuencia de inserción es una secuencia que contiene un gen de una transposasa flanqueado por secuencias repetidas e invertidas (IR) que reconoce la transposasa. Hay múltiples secuencias de inserción que se nombran con un número: IS1, IS2, etc. y cada una tiene su propia transposasa que reconoce sus propias secuencias terminales. La Fig. 15.1, Genes VII muestra varios ejemplos de elementos IS y sus características.

Los transposones siempre están flanqueados por secuencias repetidas directas (DR) que proceden del DNA al que se integraron (¡no confundir con las secuencias repetidas e invertidas de los extremos del transposón!). Las transposasas producen cortes no enfrentados en los sitios de inserción de transposones, generándose extremos cohesivos. Tras la inserción del transposón, éste va a quedar flanqueado por huecos que al ser rellenados por la DNA polimerasa, van a originar las repeticiones directas, como indica la siguiente figura:

El número de pares de bases que forman la DR de un determinado transposón es siempre el mismo, por ejemplo, IS1 va a producir 9 pares de bases, ya que esto es consecuencia del mecanismo de la transposasa. Las secuencias de las DRs son distintas, ya que depende del sitio de inserción del transposón. Si el transposón se transfiere a otro sitio dejará una repetición directa, algo así como la "huella del transposón", aunque hay casos raros en los que se regenera completamente el lugar donde se insertó el transposón.

Cuando dos elementos IS se encuentran próximos, la transposasa puede reconocer sus propias IRs, transponiéndose sólo una IS, o una IR de una IS y una IR de la otra IS, en este caso se transponen las dos ISs conjuntamente con el fragmento de DNA comprendido entre ellos, el conjunto de dos las dos IRs y el fragmento comprendido entre ellas se conoce como transposón compuesto. Los transposones compuestos se nombran Tn, seguido de un número, así Tn1, Tn2, etc. Cuando un DNA contiene un transposón se indica con ::, así pZA48::Tn27 quiere decir que el plásmido pZA48 lleva el transposón Tn27. Los transposones compuestos son la causa de la rápida propagación de las resistencias a antibióticos, ya que el fragmento incluido entre los ISs puede llevar resistencia a antibióticos. La figura siguiente representa la estructura general de los transposones compuestos junto con algunos ejemplos de transposones conocidos y sus ISs:

Como muestra la figura, los elementos IS flanqueantes de un transposón pueden tener la misma orientación o la invertida. Dado que las secuencias IR están repetidas e invertidas en ambos ISs, la transposición del transposón compuesto se puede dar igualmente, independientemente de la orientación de las ISs, ya que siempre va a haber secuencias IR flanqueando los transposones compuestos. Una característica de los transposones compuestos es que las secuencias de inserción tienen que ser del mismo tipo (IS1, IS10, etc.), no obstante, como son secuencias redundantes y cada una de ellas lleva su propia transposasa, una de ellas puede mutar sin que ello afecte a la transposición del transposón compuesto. Encontramos así que, aunque originariamente estas IS son exactamente iguales, a lo largo de la evolución han podido llegar a ser algo diferentes. Así, el Tn9 tiene IS1s idénticas en repetición directa; Tn903 tiene IS903 idénticas invertidas; Tn10 tiene IS10R a la derecha e IS10L a la izquierda, invertidas entre sí y con una divergencia del 2.5%.

Mecanismos y modelos de transposición

Como hemos dicho existen dos maneras por las que un transposón puede transponerse:

» No replicativa (o simple), en la que el transposón salta de un lugar a otro. El DNA donante queda con un hueco y generalmente ese DNA incompleto se pierde, o puede ligarse quedando cerrado.

» Replicativa, hay dos copias del transposón, una permanece en el donante y la otra va al receptor. Esto se lleva a cabo mediante la formación de un intermedio cointegrado. Los DNA está unidos, flanqueados por dos copias del transposón. Los transposones de la familia TnA se transponen por este mecanismo.

Tenemos un DNA donante con un transposón cuya transposasa reconoce las secuencias repetidas invertidas de sus extremos, produciendo dos nicks en bandas opuestas a ambos lados del transposón. También produce dos nicks no enfrentados en el sitio donde se va a integrar. El extremo del transposón que queda libre se va a unir a uno de los nicks del DNA receptor. El transposón está unido, así, a cuatro bandas, dos del donante y dos del receptor, quedando dos huecos a ambos lados del transposón. Los extremos 3' OH son elongados por la DNA polimerasa y la zona queda repetida de forma directa flanqueando el sitio donde se inserta el transposón. En el caso de la transposición simple, se producen dos nicks entre el transposón y el DNA donante, ligándose los extremos del transposón a los extremos libres del DNA receptor. En el caso de transposición replicativa la DNA polimerasa no se detiene, sino que continúa replicando las bandas del transposón, por lo que tendremos una duplicación del transposón:

(a)

(b)

(c)

(d)


La transposición replicativa transcurre con la formación de un intermediario denominado cointegrado. La resolución del cointegrado ocurre por recombinación específica de sitio, paso (d) de la figura anterior. Este es un caso especial de escisión llevado a cabo por la enzima resolvasa. Una recombinación específica de sitio entre dos regiones del transposón da lugar al DNA donante, que mantiene una copia del transposón y al DNA receptor con la otra copia del transposón y su zona de inserción duplicada. Los transposones de la familia TnA transponen por via replicativa, por lo que codifican no sólo para la transposasa sino también por la resolvasa. En resumen la transposasa reconoce las repeticiones invertidas de los extremos, así como el sitio de inserción, corta ambos y los liga, mientras que la resolvasa reconoce el sitio de recombinación específica de sitio del transposón (sitio res), corta, une y resuelve el cointegrado.

Como dijimos antes, la transposición se da con muy baja frecuencia, por lo que debe ser un proceso fuertemente regulado, distintos transposones tienen diferentes mecanismos de control. En el caso de TnA la transposición se controla reprimiendo la expresión de la transposasa. El gen tnpR codifica para la resolvasa que reconoce específicamente el sitio res (lugar donde se produce específicamente la recombinación específica de sitio) que está solapado con el promotor del gen de la transposasa, tnpA, de modo que la resolvasa no sólo resuelve el cointegrado, sino que reprime la expresión de la transposasa. Un mutante de resolvasa aumenta la frecuencia de transposición. El sitio res es muy parecido a la región O de POP' y BOB', y la resolvasa presenta homología con int. Si tenemos mutantes en resolvasa, los cointegrados se acumulan. Si bien al existir regiones de homología, se pueden resolver vía recombinación homóloga, la frecuencia con la que esto ocurre es muy baja. La resolución es mucho más eficaz vía recombinación específica de sitio que vía recombinación homóloga.

La transposición génica en los sistemas eucariotas presenta claras semejanzas y algunas diferencias bien definidas respecto a la transposición de las bacterias. La primera distinción importante es que, en los eucariotas, la integración y la escisión son procesos diferenciados. Así pues, el elemento transponible puede aislarse en la forma libre, a menudo como un DNA circular de doble hebra. En segundo lugar, la replicación de ese DNA comporta a menudo la síntesis de un RNA intermediario. Ambas propiedades se observan en los retrovirus de los vertebrados, que son tal vez la clase de elementos transponibles de los eucariotas más estudiada. Estos virus de RNA utilizan la transcriptasa inversa para sintetizar un DNA de doble cadena circular, que puede integrarse en múltiples lugares del cromosoma de la célula huésped. El genoma retroviral integrado se representa en la figura siguiente:

Si se compara su estructura con la de un transposón compuesto bacteriano, representada anteriormente, se observará una notable semejanza entre ambos. El genoma retroviral posee genes estructurales (gag, pol, env) en cuyos flancos hay dos repeticiones directas, las repeticiones terminales largas (LTR) de unas 250 a 1400 pb cada una. Cada LTR está flanqueada, a su vez, por secuencias de repetición invertidas cortas, de una longitud de ente 5 y 13 pares de bases. La integración se produce mediante un mecanismo que duplica el lugar diana, con lo que el gen viral integrado, denominado provirus, queda flanqueado por repeticiones directas de 5 a 13 pares de bases cada una del DNA de la célula huésped. Los elementos transponibles de las células eucariotas presentan semejanzas notables con los retrovirus en cuanto a la organización de la secuencia. De hecho se utiliza el término retrotransposón para denominar a esta clase de elementos.

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