miniaturadaimagem|Crossing-over entre cromossomos homólogos. Na imagem, as cromátides homólogas estão entrelaçadas (quiasma) e conseguem trocar fragmentos de DNA. Dessa forma, cada cromossomos possui uma cromátide recombinante.|200x200px A recombinação homóloga (HR - homologous recombination) é um tipo de recombinação genética, assim como a Recombinação Sítio-Específica e a Transposição, das quais se distingue pois é um fenômeno de troca de material genético a nível molecular que ocorre entre sequências precisamente correspondentes, de modo que nenhum par de bases é adicionado ou perdido durante o processo, ou seja, que carregam informações homólogas sem perdas ou ganhos de informação.
Acontece em eucariotos, durante a prófase I da meiose que forma os gametas, a troca física do material dos cromossomos parentais gera cromossomos recombinantes com uma nova sequência de informações, esse evento também é conhecido como crossing-over. Esse processo é fundamental para a evolução, diversidade genética, reparo de danos no DNA (deoxyribonucleic acid) e segregação cromossômica adequada durante a meiose.
História alt=|miniaturadaimagem|260x260px|Herança Mendeliana - Demonstração do cruzamento de plantas de ervilhas realizado por Mendel (1ª lei de Mendel). Em 1856, o monge Gregor Johann Mendel iniciou experimentos de cruzamento seletivo em plantas de ervilhas, Pisum sativum, para observar a hereditariedade de seus caracteres de geração em geração, como: a textura (lisa ou rugosa), a cor (verde ou amarela), a altura e a coloração das flores, em seu trabalho essas características são citadas como "fatores discretos", e posteriormente foram denominadas por Wilhelm Johannsen em 1909 como "genes". Mendel não foi o único botânico de sua época a realizar experimentos quanto a da reprodução de plantas, muitos outros também foram instigados a realizar o mesmo a partir da afirmativa do botânico Nehemiah Grew de que através do pólen que determinados vegetais se reproduzem sexualmente.
Após diversos cruzamentos, a anotação e triagem de seus resultados, Mendel foi capaz de descrever certos fenômenos, conhecidos como as "Leis da Hereditariedade", como: dominância e recessividade, homozigoto e heterozigoto, segregação independente, e casos específicos, como as formas híbridas peculiares. Assim, Gregor Mendel formulou os princípios da hereditariedade, se consagrando em 1900 como "pai da genética moderna" após ter seus estudos redescobertos por três estudiosos europeus da época, Carl F. J. E Correns, Hugo M. de Vries e Erich von Tschermak-Seysenegg, tornando-se base para os estudos dos mesmos.
A partir da redescoberta dos estudos de Gregor Mendel, a mais nova área de conhecimento denominada por William Bateson como "genética" em 1906, passou a receber muita atenção da comunidade científica e crescer exponencialmente com o tempo, com os estudiosos abrangendo a metodologia de Mendel a outros organismos, testando suas afirmativas, confirmando algumas e refutando outras. +Descobertas significantes para a Recombinação HomólogaAnoPesquisa1859Evolução pela seleção natural: Charles Robert Darwin1865Genética Mendeliana: Gregor Mendel1869-1900Descoberta dos ácidos nucleicos, nome e composição: Johannes Friedrich Miescher, Richard Altmann e Ludwig Karl Martin Leonhard Albrecht Kossel1900Redescoberta dos estudos de Mendel: Carl Franz Joseph Erich Correns, Hugo Marie de Vries e Erich von Tschermak-Seysenegg1902-1903Estrutura e comportamento dos cromossomos: Walter Stanborough Sutton1905Descoberta dos cromossomos sexuais: Nettie Maria Stevens e Edmund Beecher Wilson1909Herança citoplasmática em M. jalapa: Carl Franz Joseph Erich Correns1909Descoberta da ribose: Phoebus Aaron Theodore Levene1910-1935Bases da genética: Thomas Hunt Morgan, Alfred Henry Sturtevant e Calvin Blackman Bridges1911Cromossomos carregam genes: Thomas Hunt Morgan1928Princípio transformante em bactérias: Frederick Griffith1929Descoberta da desoxirribose: Phoebus Aaron Theodore Levene1940Os estudos do material genético em vírus: Max Delbrück, Salvador Edward Luria e Alfred Hershey1940-1945Quantificação de nucleotídeos e bases do DNA: Archer John, Porter Martin, Richard Laurence Millington Synge e Erwin Chargaff1943-1944DNA é o fator transformante: Oswald Theodore Avery Jr., Colin Munro MacLeod e Maclyn McCarty1944Descoberta dos genes saltadores ou transposões: Barbara McClintock19441º Fago mutante é isolado: Salvador Edward Luria1949Mapeamento de genes em fagos: Alfred Day Hershey e Raquel Rotman1952Genes são feitos de DNA: Alfred Day Hershey e Martha Cowles Chase1953A estrutura do DNA é de uma dupla hélice: Rosalind Franklin, James D. Watson e Francis Crick1958Replicação semiconservativa do DNA: Matthew Stanley Meselson e Franklin William Stahl1959Descoberta de anomalias nos cromossomos pela 1ª vez: Jérôme Jean Louis Marie Lejeune19721º DNA Recombinante19731º Clone animal Em 1902 e 1903, Walter Stanborough Sutton foi capaz de descrever a estrutura e o comportamento dos cromossomos, tendo como objeto de estudo a espécie de gafanhoto Brachystola magna. Ele afirmou que cada cromossomo apresenta duas cópias, ou seja, são cromossomos homólogos, que a quantidade de cromossomos nas células sexuais era metade do visto em células somáticas, e as células-filhas apresentavam o número completo de cromossomos das células parentais somadas, com duas bases (alelos) de informação para cada característica, um comportamento já levantado por Mendel no passado, porém Sutton comprovou esses comportamentos de maneira detalhada. esquerda|miniaturadaimagem|O cariótipo humano é uma representação visual e ordenada dos cromossomos presentes nas células somáticas do corpo humano. (Imagem adaptada de Cromossomos homólogos: o que são?)
Em 1905, Nettie Maria Stevens e Edmund Beecher Wilson publicaram seus estudos, respectivamente, na Carnegie Institution of Washington e na Science, eles buscavam estudar os chamados "cromossomos acessórios" e uma possível relação entre eles e o determinante sexual, uma questão levantada por Clarence Erwin McClung em 1902, com isso a descoberta dos cromossomos sexuais foi atribuída à eles. Nettie Stevens, utilizou sete espécies de insetos e descreveu a espermatogênese de cada um deles, o que tornou possível ela observar na espécie Tenebrio molitor a presença de 20 cromossomos nas células somáticas e germinativas tanto no macho quanto na fêmea, onde nas células do macho haviam 19 cromossomos grande e 1 pequeno enquanto na fêmea havia 20 cromossomos grandes, logo para Stevens, o cromossomo doado pelo macho seria o determinante sexual. Edmund Wilson por sua vez, teve como objeto de estudo espécies de hemípteros, assim como Nettie Stevens ele observou diferentes números de cromossomos por espécie, e a diferença nos cromossomos acessórios em machos e fêmeas. A partir da descoberta das bases da hereditariedade, da estrutura, comportamento dos cromossomos e do determinante sexual, novas pesquisas passaram a explorar os mecanismos e as possibilidades de descobertas a partir dessa base. Em 1909, Thomas Hunt Morgan, Alfred Henry Sturtevant e Calvin Blackman Bridges dão início a uma série de estudos com moscas (Drosophila melanogaster). Morgan iniciou uma investigação da presença de olhos brancos em alguns machos, algo incomum nas moscas, e acabou por descobrir que esse fenótipo está associado ao cromossomo sexual, ou seja, os genes estão localizados nos cromossomos. Calvin passou a estudar o aparecimento de fêmeas com olhos brancos descrevendo assim uma não disjunção dos cromossomos, sexuais onde os dois cromossomos X da fêmea não se separaram na anáfase I, conferindo um genótipo XXY à prole. Sturtevant foi capaz de mapear os genes das Drosophilas após determinar as taxas de recombinação dos genes no cromossomo X, demonstrando que as taxas de recombinação estão associadas à distância física entre os genes. As inferências descritas por Morgan, Sturtevant e Bridges tornaram-se os princípios físicos da hereditariedade e, consequentemente, foram essenciais para o entendimento da recombinação genética, da mutação genética e da evolução dos organismos. esquerda|miniaturadaimagem|Esquema de dupla hélice de DNA. Em 1952, Alfred Day Hershey, com Martha Cowles Chase descreveu que genes são feitos de DNA, reforçando as afirmações dos estudos de Oswald Theodore Avery Jr., Colin Munro MacLeod e Maclyn McCarty de 1943-1944, onde concluíram a partir da pesquisa de Frederick Griffith de 1928, que o DNA é o material transformante das células bacterianas de Streptococcus pneumoniae que ele havia estudado.
Em 1953, com base no trabalho de Rosalind Franklin, os pesquisadores James D. Watson e Francis Crick conseguiram descrever a estrutura dupla hélice do DNA, abrindo portas para um maior aprofundamento dos estudos voltados às características genéticas, à hereditariedade, à recombinação, à evolução, à mutação genética, processos e problemas associados ao DNA.
Mecanismo molecular Mecanismo molecular é a base, ao nível molecular, de todo o processo que irá acontecer em algo biológico. A recombinação homóloga (HR — homologous recombination), em síntese, é um processo fundamental da genética que envolve a troca de genes de moléculas que compartilham sequências semelhantes (homólogas). Sendo o mecanismo molecular quem cuida e organiza tudo o que deve ser feito para que a recombinação homóloga seja realizada com êxito no final.
No decorrer do texto, há um destaque maior no caminho, isso é, nas etapas, proteínas e enzimas chaves. Ou seja, é possível dividir em cinco etapas essenciais, sendo elas a iniciação pela Quebra do Filamento Duplo (DSB — Double-Strand Break), erosão das extremidades, invasão do filamento e busca homóloga, síntese de DNA (deoxyribonucleic acid) e formação de heteroduplex e resolução do crossover, onde para que o seu funcionamento seja eficaz, são necessárias algumas proteínas e enzimas em específico, como: Spo11, RAD51, Dmc1, DNA Polimerase e DNA Ligase.
Etapas do processo O modelo mais aceito para explicar a recombinação homóloga é o Modelo de Reparo por Quebra de Dupla Fita (DSBR — Double-Strand Break Repair). O processo é iniciado por uma quebra em uma das moléculas de DNA e prossegue com a troca de fitas, conforme ilustrado nas figuras originais. alt=|miniaturadaimagem|262x262px|Reação de recombinação homóloga a partir da quebra de dupla fita.
Quebra da dupla fita e processamento
O processo inicia-se com um rompimento de dupla fita (DSBs) em uma das moléculas de DNA (o "receptor") e, em seguida, enzimas como a Spo11 (em eucariotos) catalisam essa quebra. As extremidades da quebra são então "lixadas" por exonucleases, que digerem as fitas 5' para gerar extremidades 3' de fita simples, um passo conhecido como ressecamento (resection).
Invasão de fita e formação da Junção de Holliday
Uma das extremidades 3' de fita simples "invade" a molécula de DNA homóloga intacta (o "doador"). Esta etapa é mediada por proteínas como RAD51 (RecA em bactérias), que formam um filamento que procura e pareia com a sequência complementar no DNA doador. Esta invasão forma uma estrutura intermediária crucial denominada Junção de Holliday, uma junção ramificada de quatro braços onde as fitas de DNA são trocadas entre as duas moléculas.
Resolução da Junção
As junções de Holliday devem ser clivadas ("resolvidas") para separar as duas moléculas de DNA. Esta determinação é realizada especificamente por enzimas chamadas resolvases (como a RuvC em E. coli). Procedendo da orientação em que a fragmentação ocorre, o resultado pode ser: Produtos de Crossover: Onde há troca física de segmentos de DNA entre os cromossomos homólogos. Esse evento, visível ao microscópio, é responsável pela recombinação genética que mistura alelos maternos e paternos.