Unión de Holliday

Unha unión de Holliday (do inglés Holliday junction, HJ) é unha estrutura de ácido nucleico ramificada na que están unidos catro dominios de dobre cadea de ácido nucleico. En bioloxía, as unións de Holliday funcionan como intermediarios na recombinación xenética; estas unións ou cruzamentos (junctions) teñen xeralmente unha secuencia simétrica, polo que son móbiles. As unións de Holliday inmóbiles foron creadas artificialmente polos científicos inicialmente para estudar as súas estruturas como modelo das unións de Holliday, pero posteriormente atoparon un uso como materiais de construción estruturais básicos en nanotecnoloxía do ADN. A estrutura recibe o seu nome por Robin Holliday, que propuxo a súa existencia en 1964. Estrutura
As unións de Holliday poden existir en forma de varios isómeros conformacionais con diferentes patróns de empillamento coaxial (coaxial stacking) entre os catro dominios de dobre hélice. O empillamento coaxial é a tendencia dos extremos romos (é dicir, non coherentes) de ácidos nucleicos de unirse un con outro debido a interaccións entre os aneis das bases expostas. Hai tres posibles confórmeros de empillamento: unha forma non empillada (unstacked) e dúas empilladas (stacked). A forma non empillada domina en ausencia de catións divalentes como o Mg2+ debido á repulsión electrostática entre os esqueletos cargados negativamente das febras, mentres que en presenza de polo menos un 0, 1 mM de Mg2+ a repulsión electrostática é contrarrestada e predomina a estrutura empillada. En 2000, non se coñecía con certeza se o apantallamento electrostático era o resultado da unión específica de sitio de catións á unión de Holliday, ou da presenza dunha colección difusa de ións en solución.
A forma non empillada é unha conformación estendida case plana e cadrada. Por outra parte, os confórmeros empillados teñen dous dominios en dobre hélice continuos separados por un ángulo duns 60° cara á dereita. Dúas das catro febras permanecen aproximadamente helicoidais, e quedan dentro dos dous dominios en dobre hélice, mentres que os outros dous cruzan entre os dous dominios en disposición antiparalela.
As dúas formas empilladas posibles diferéncianse nas identidades que teñan os pares de brazos que están empillados un sobre o outro, e cal domine dependerá en gran medida das secuencias de bases próximas á unión. Algunhas secuencias dan lugar a un equilibrio entre os dous confórmeros, mentres que outras prefiren claramente un só confórmero. En concreto, as unións que conteñen a secuencia A-CC que fai de ponte no punto de unión parecen preferir claramente o confórmero que permite que se forme un enlace de hidróxeno entre a segunda citosina e un dos fosfatos do punto de unión. Aínda que a maioría dos estudos enfocáronse a estudar as identidades das catro bases próximas á unión en cada brazo, é evidente que as bases que están máis lonxe poden tamén afectar ás conformacións empilladas observadas.
En unións con secuencias simétricas, o punto de ramificación é móbil e pode migrar nun proceso aleatorio. A velocidade de migración da rama varía drasticamente coa concentración de ións, e os tempos para dar un só paso increméntanse desde 0, 3−0, 4 milisegundos (ms) sen ningún ión a 270−300 ms con 10 mM de Mg2+. O cambio na velocidade está correlacionado coa formación de estruturas empilladas ou non empilladas.
As unións de Holliday cunha amosega ou rotura nunha das febras, no punto de unión adoptan unha orientación perpendicular, e sempre prefiren o confórmero empillado que sitúa a amosega nunha febra que sobrecruza en vez de na febra helicoidal.
As unións de Holliday de ARN coñécense nalgúns ARNs biolóxicos funcionais, como o ARN espliceosomal U1 e no ribocima forquita do virus da mancha anular do tabaco. As unións de Holliday de ARN adoptan unha conformación empillada antiparalela a altas concentracións de magnesio, unha conformación empillada perpendicular a concentracións moderadas, e rotan nunha conformación empillada paralela a baixas concentracións, mentres que mesmo pequenas concentracións de ión calcio (Ca2+) favorecen o confórmero antiparalelo. Función biolóxica
A unión de Holliday é un intermediario clave na recombinación homóloga, un proceso biolóxico que incrementa a diversidade xenética ao intercambiar xenes entre dous cromosomas, e tamén en eventos de recombinación específica de sitio nos que interveñen integrases. Ademais, están implicadas na reparación de roturas de dobre febra. Adicionalmente, poden orixinarse estruturas cruciformes que implican as unións de Holliday para aliviar a tensión na hélice en secuencias simetricas en ADN superenrolado. Aínda que as unións de catro brazos tamén aparecen en moléculas de ARN funcionais, estas xeralmente conteñen nucleótidos non apareados situados entre os dominios de dobre hélice apareados, e non adoptan estritamente a estrutura de Holliday.
As unións de Holliday na recombinación homóloga están entre secuencias idénticas ou case idénticas, o que leva a un arranxo simétrico de secuencias arredor da unión central. Isto permite que ocorra un proceso de migración da rama, no que as febras se moven a través do punto de unión. A clivaxe (corte) ou a resolución da unión de Holliday pode ocorrer de dúas maneiras. A clivaxe do conxunto orixinal de febras orixina dúas moléculas que poden presentar conversión xénica pero non sobrecruzamento cromosómico, mentres que a clivaxe do outro conxunto de dúas febras causa que as moléculas recombinantes resultantes presenten sobrecruzamento. Todos os produtos, independentemente da súa clivaxe, son heterodúplex na rexión da migración da unión de Holliday.
Moitas proteínas poden recoñecer ou distorsionar a estrutura da unión de Holiday. Unha desas clases contén encimas que resolven a unión que se encargan de clivar as unións, ás veces dun modo específico de secuencia. Ditas proteínas distorsionan a estrucura da unión de varios modos, a miúdo empurrando a unión a adoptar unha conformación non amontoada (unstacked), rompendo os pares de bases centrais, e/ou cambiando os ángulos entre os catro brazos. Outras clases son as proteínas de migración da rama, que incrementan a velocidade de intercambio en varias ordes de magnitude, e as recombinases específicas de sitio. En procariotas, as resolvases da unión de Holliday poden pertencer a dúas familias, integrases e nucleases, que son cada unha delas estruturalmente similares, aínda que as súas secuencias non están conservadas.
En eucariotas, hai dous modelos principais para explicar como a recombinación homóloga repara as roturas de dobre febra no ADN, que son a vía de reparación de roturas de dobre febra (DSBR) (ás veces chamado modelo de unión de Holliday dobre) e a vía de aliñamento (annealing) de febras dependente de síntese (SDSA). No caso de rotura de dobre febra, o extremo 3' é degradado e o extremo 5' máis grande invade a cromátide irmá contigua, formando unha burbulla de replicación. A medida que a burbulla se achega ao ADN roto, a febra antisentido 5' máis longa invade de novo a febra sentido desta porción do ADN, transcribindo unha segunda copia. Cando remata a replicación, ambas as colas son reconectadas para formar dúas unións de Holliday, que son despois clivadas por proteínas de variadas maneiras. Unha animación deste proceso pode verse aquí.
As roturas no ADN de dobre febra en bacterias son reparadas pola vía RecBCD de recombinación homóloga. As roturas que ocorren soamente nunha das dúas febras do ADN, e que se coñecen como ocos (gaps) de febra simple, crese que son reparados pola vía RecF. Tanto a vía RecBCD coma a RecF inclúen unha serie de reaccións coñecidas como migración da rama, na cal as febras de ADN sinxelas se intercambian entre dúas moléculas entrecruzadas de ADN dúplex, e tamén a resolución, na cal as dúas moléculas de ADN que se entrecruzaran son cortadas e restauradas ao seu estado normal de dobre febra. A recombinación homóloga ocorre en varios grupos de virus. En virus de ADN como os herpesvirus, a recombinación ocorre por medio dun mecanismo de rotura e reunión como en bacterias e eucariotas. En bacterias, a migración de rama está facilitada polo complexo RuvABC ou a proteína RecG, que son motores moleculares que usan a enerxía da hidrólise doATP para mover a unión. A unión debe despois ser resolta en dous dúplex separados, restaurando a configuración parental ou unha configuración sobrecruzada. A resolución pode ocorrer de maneira horizontal ou vertical durante a recombinación homóloga, dando lugar a produtos parche (se están na mesma orientación durante a reparación das roturas de dobre febra) ou a produtos de empalme (se están en diferentes orientacións durante a reparación de roturas de dobre febra). RuvA e RuvB son proteínas da migración da rama, mentres que RuvC é un encima que resolve a unión.
Hai tamén probas de recombinación nalgúns virus de ARN, especificamente en virus de ARN monocatenario de sentido positivo como os retrovirus, picornavirus, e coronavirus. Hai controversia sobre se a recombinación homóloga ocorre en virus de ARN monocatenario de sentido negativo como o da gripe. Uso en nanotecnoloxía do ADN
A nanotecnoloxía do ADN é o deseño e manufactura de estruturas de ácido nucleico artificiais utilizadas como material de enxeñaría para nanotecnoloxía en vez de como portadores da información xenética nas células vivas. Neste campo utilízanse estruturas de ADN ramificadas como compoñentes fundamentais para crear estruturas deseñadas racionalmente máis complexas. As unións de Holliday son compoñentes de moitas destas estruturas de ADN. Como os complexos de unións de Holliday illados son demasiado flexibles para ensamblarse en matrices (arrays) ordenadas grandes, os motivos estruturais con moitas unións de Holliday utilízanse para crear "baldosas" ríxidas que poden despois ensamblarse en "matrices" máis grandes.
O motivo deste tipo máis común é o complexo de dobre sobrecruzamento (DX), que contén dúas unións de Holliday en estreita proximidade unha da outra, que dá lugar a unha estrutra ríxida que pode autoensamblarse en matrices máis grandes. A estrutura da molécula DX forza ás unións de Holliday a adoptar unha conformación cos dominios en dobre hélice situados directamente lado con lado, en contraste co seu ángulo preferido de aproximadamente 60°. O complexo pode teoricamente ser deseñado para forzar as unións a ter unha orientación paralela ou antiparalela, pero na práctica as variedades antiparalelas compórtanse mellor, e as versións paralelas raramente se usan.
O motivo estrutural DX é tamén a peza de construción fundamental do método ADN origami, que se utiliza para facer estruturas bi ou tridimensionais máis grandes de forma arbitraria. En lugar de usar baldosas DX individuais, prégase unha febra de armazón longo sinxelo na forma desexada usando varias febras grampa curtas. Cando se ensamblan, a febra armazón é continua a través dos dominios de dobre hélice, mentres que as febras grampa participan nas unións de Holliday como febras de sobrecruzamento.
Demostrouse que hai varios tipos de baldosas que manteñen o ángulo nativo de 60º das unións de Holliday. Unha destas matrices usa baldosas que conteñen catro unións de Holliday nunha disposición en paralelogramo. Esta estrutura tiña a vantaxe de permitir que o ángulo da unión sexa visualizado directamente por medio de microscopia de forza atómica. Ademais, utilizáronse as baldosas de tres unións de Holliday en disposición triangular baseadas no principio da integridade tensional para construír matrices tridimensionais periódicas pensadas para usalas en cristalografía de raios X de biomoléculas. Historia
Robin Holliday propuxo esta estrutura como parte do seu modelo de recombinación homóloga en 1964, baseado na súa investigación nos organismos Ustilago maydis e Saccharomyces cerevisiae. O modelo proporciona un mecanismo molecular que explicaba tanto a conversión xénica coma o sobrecruzamento cromosómico. Holliday decatouse de que a vía proposta crearía segmentos de ADN heterodúplex con bases mal apareadas entre diferentes versións dun só xene, e postulou que a célula debe ter un mecanismo para reparar estas discordancias no apareamento de bases, o cal se descubriu máis tarde. Antes do modelo de Holliday, o modelo aceptado implicaba o mecanismo de elección de copia.
No modelo de Holliday orixinal de recombinación homóloga, as roturas dunha soa febra aparecían no mesmo punto dunha febra de cada ADN parental. Os extremos libres de cada febra rota migran despois a través da outra hélice de ADN, na que as febras invasoras se unen aos extremos libres que encontren, o que ten como resultado a formación da unión de Holliday. Como cada febra sobrecruzada se realiña (reanneals) coa súa febra compañeira orixinal, despraza a febra complementaria orixinal cara a adiante, facendo que a unión de Holliday migre, creando os segmentos heterodúplex. Dependendo de que febra se utilizou como modelo para reparar a outra, as catro células resultantes dunha meiose poderían acabar con tres copias dun alelo e só unha do outro, en vez das dúas de cada normais, unha propiedade coñecida como conversión xénica.
O modelo orixinal de Holliday asumía que o ADN heterodúplex estaría presente en ambos os cromosomas, mais os datos experimentais obtidos en lévedos refutaron esta idea, o que levou a que o modelo fose posto ao día por Matt Meselson e Charley Radding en 1975, os cales introduciron a idea da migración da rama. Posteriores observacións feitas na década de 1980 levaron a propoñer mecanismos alternativos para a recombinación como o modelo de rotura de dobre febra (de Jack Szostak, Frank Stahl, e outros) e o modelo de aliñamento (annealing) de febra sinxela. Un terceiro modelo, chamado modelo de aliñamento de febra dependente de síntese, non implica unións de Holliday.
A primeira evidencia experimental da estrutura das unións de Holliday procede de estudos de microscopia electrónica feitos ao final da década de 1970, nos que a estrutura de catro brazos era claramente visible en imaxes de ADN de plásmidos e bacteriófagos. Posteriormente na década de 1980, identificáronse os encimas responsables para iniciar a formación das unións de Holliday e de unirse a elas, aínda que en 2004 a identificación das resolvases de unións de Holliday de mamíferos seguía sendo evasiva. En 1983, construíronse as primeiras moléculas de unión de Holliday artificiais a partir de oligonucleótidos sintéticos grazas aos traballos de Nadrian Seeman, o que permitiu un estudo máis directo das súas propiedades físicas. Moitas das análises temperás das estruturas de unión de Holliday inferíronse de estudos de electroforese en xel, FRET, e pegadas de nucleases e de radical hidroxilo. Na década de 1990, os métodos de cristalografía e RMN de ácidos nucleicos xa estaban dispoñibles, e tamén as ferramentas informáticas de modelaxe molecular.
Inicialmente, os xenetistas asumiron que a unión adoptaría unha conformación paralela antes que antiparalela porque esta situaría os dúplex homólogos en aliñamento moi próximo. Pero as análises químicas feitas na década de 1980 mostraron que, en realidade, a unión prefería as conformacións antiparalelas, o que foi un descubrimento considerado controvertido, e o propio Robin Holliday dubidaba inicialmente del. Non obstante, posteriormente, a estrutura antiparalela foi amplamente aceptada debido a datos de cristalografía de raios X en moléculas in vitro, aínda que en 2004 as implicacións da estrutura in vivo seguían sen esclarecer, especialmente porque a estrutura das unións é alterada a miúdo polas proteínas que se unen a ela.