Regulación de la recombinación homóloga y reparación del ADN en células meióticas
La meiosis es un proceso esencial del desarrollo para las células implicadas en la formación de los gametos, otorgando a los organismos con reproducción sexual la capacidad de adaptarse a su entorno a lo largo de la evolución. Nuestra investigación se ha centrado en estudiar la capacidad de las células de realizar correctamente los procesos de recombinación homóloga durante la meiosis, e identificar la respuesta de esas mismas células cuando la recombinación es defectuosa o inexistente. Los problemas durante la recombinación podrían tener un impacto importante en la calidad de los gametos, por lo cual es importante estudiar su causa.
Dada la complejidad de la meiosis en el contexto de la gametogénesis, hemos diferenciado nuestras líneas de trabajo en tres líneas principales:
a) Inicio de la recombinación. Durante la meiosis, la recombinación homóloga del ADN permite a las células generar gametos haploides. La recombinación homóloga se inicia a través de la introducción programada en el genoma de numerosas roturas de doble hebra del ADN (DSB). Las DSB son catalizadas por la transesterasa Spo11, una DNA topoisomerasa de tipo II altamente conservada. Spo11 no introduce roturas aleatoriamente, sino en regiones concretas del genoma conocidos como “hotspots”. Las quinasas ATM y ATR, críticas en el mantenimiento de la integridad del genóma, son activadas por las DSB fosforilando factores del complejo de Spo11 (e.j. Rec114) para así retro-inhibir su actividad. La activación de ATM/ATR también conlleva la fosforilación de proteínas estructurales del complejo sinaptonémico, como Hop1, imprescindible para la selección del ADN molde adecuado durante la recombinación homóloga y la activación de los mecanismos de vigilancia, o “checkpoints”, necesarios para la correcta reparación de las DSB. A pesar de estos avances, existe un número elevado de funciones de ATM/ATR en meiosis que aún se desconocen. Identificar nuevos sustratos de estas quinasas es un reto importante y necesario para entender los defectos que derivan en aneuploidías o mutaciones en los gametos, causantes de enfermedades congénitas, infertilidad o cáncer.
b) Terminación de la recombinación. Nuestra segunda línea de investigación se centra en los procesos de regulación más tardíos de la recombinación homóloga durante la meiosis. En particular, los procesos de resolución de intermediarios de recombinación que tienen lugar al final de la profase I meiótica. Nuestros estudios más recientes han identificado el papel de la fosfatasa Cdc14 en controlar la formación de productos de recombinación cuando fallan los mecanismos principales de reparación. En ese sentido, Cdc14 desfosforila sustratos requeridos para la correcta formación y resolución de intermediarios presentes en estados tardíos de la profase, así como para restaurar los procesos de reparación no meióticos. Identificar sustratos de la fosfatasa permitirá avanzar en el entendimiento de aquellos procesos, también cruciales, durante la inactivación de la recombinación en meiosis, así como en células mitóticas.
c) Control de la recombinación mediante fármacos e inhibidores. Una tercera línea de investigación más orientada, se fundamenta en estudiar el efecto que ejercen ciertos inhibidores y fármacos sobre la recombinación homóloga del ADN en la profase I meiótica en mamíferos. Para ello, hemos establecido técnicas de cultivos de ovocitos primarios sobre los que estudiamos la profase I meiótica. Estos hallazgos tendrán gran importancia para entender mejor los procesos que derivan en problemas de fertilidad o de inestabilidad genómica en los ovocitos.

Inicio de la Recombinación.
(A) Regulación mediante fosforilación del factor Rec114 a través de la quinasa Tel1 (ATM) y su efecto sobre los “hotspots” de roturas de doble cadena por la transesterasa Spo11.
(B) Algunos de los residuos presentes en la proteína del complejo sinaptonémico Hop1 (HORMAD1/2) susceptibles de ser modificados por fosforilación a través de las quinasas Tel1 (ATM) y Mec1 (ATR).
Terminación de la Recombinación.
(C) Función reguladora de la fosfatasa Cdc14 en resolver intermediarios de recombinación durante meiosis a través de la resolvasa de uniones de Holliday, Yen1. En los geles se pueden visualizar tanto los intermediarios de recombinación como los productos finales de esta.
(D) Localización de Cdc14 en relación al componente del filamento central del complejo sinaptonémico Zip1 durante la profase I meiótica (imagen izquierda). Cdc14 es necesario para evitar la formación de aneuploidías en los gametos (esporas) (imagen derecha).
Control de la recombinación mediante fármacos e inhibidores.
(E) Estudio inmunocitológico de la profase I meiótica en ovocitos en cultivo tratados con diferentes compuestos.

Miembros del grupo
Jesús A. Carballo | Científico Titular (CSIC) |
---|---|
Paula Alonso Ramos | Estudiante de Doctorado |
Contacto
Jesús A. Carballo |
j.carballo@csic.es 923294901 Ext. 5461 Laboratorio 2.4 |
---|
Publicaciones recientes
Alonso-Ramos P, Álvarez-Melo D, Strouhalova K, Pascual-Silva C, Garside GB, Arter M, Bermejo T, Grigaitis R, Wettstein R, Fernández-Díaz M, Matos J, Geymonat M, San-Segundo PA, Carballo JA. (2021)
The Cdc14 Phosphatase Controls Resolution of Recombination Intermediates and Crossover Formation during Meiosis Int J Mol Sci. Sep 10;22(18):9811 doi: 10.3390/ijms22189811. |
González-Arranz S, Acosta I, Carballo JA, Santos B, San-Segundo PA. (2021)
The N-Terminal Region of the Polo Kinase Cdc5 Is Required for Downregulation of the Meiotic Recombination Checkpoint Cells. Sep 27;10(10):2561 doi: 10.3390/cells10102561. |
Herruzo E, Lago-Maciel A, Baztán S, Santos B, Carballo JA, San-Segundo PA. (2021)
Pch2 orchestrates the meiotic recombination checkpoint from the cytoplasm. PLoS Genet. Jul 14;17(7):e1009560 doi: 10.1371/journal.pgen.1009560 . |
González-Arranz S, Gardner JM, Yu Z, Patel NJ, Heldrich J, Santos B, Carballo JA, Jaspersen SL, Hochwagen A, San-Segundo PA. (2020)
SWR1-Independent Association of H2A.Z to the LINC Complex Promotes Meiotic Chromosome Motion Front Cell Dev Biol. Oct 22;8:594092 doi: 10.3389/fcell.2020.594092. |
Herruzo E, Santos B, Freire R, Carballo JA, San-Segundo PA. (2019)
Characterization of Pch2 localization determinants reveals a nucleolar-independent role in the meiotic recombination checkpoint Chromosoma. Sep;128(3):297-316 doi: 10.1007/s00412-019-00696-7. |
Penedos A, Johnson AL, Strong E, Goldman AS, Carballo JA, Cha RS. (2015)
Essential and Checkpoint Functions of Budding Yeast ATM and ATR during Meiotic Prophase Are Facilitated by Differential Phosphorylation of a Meiotic Adaptor Protein, Hop1. PLoS One. Jul 30;10(7):e0134297 doi: 10.1371/journal.pone.0134297. |
Carballo JA, Panizza S, Serrentino ME, Johnson AL, Geymonat M, Borde V, Klein F, Cha RS. (2013)
Budding yeast ATM/ATR control meiotic double-strand break (DSB) levels by down-regulating Rec114, an essential component of the DSB-machinery PLoS Genet. Jun;9(6):e1003545 doi: 10.1371/journal.pgen.1003545. |
Carballo JA, Johnson AL, Sedgwick SG, Cha RS. (2008)
Phosphorylation of the axial element protein Hop1 by Mec1/Tel1 ensures meiotic interhomolog recombination Cell. Mar 7;132(5):758-70 doi: 10.1016/j.cell.2008.01.035. |
Proyectos de investigación
MICINN: RTI2018-099055-B-I00 |
CM: PEJ-2019-TL/SAL-14602 |