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.

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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.

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Miembros del grupo

Jesús A. Carballo Científico Titular (CSIC)
Paula Alonso Ramos Estudiante de Doctorado
David Álvarez Melo Estudiante de Doctorado

Contacto

Jesús A. Carballo j.carballo@csic.es
923294901 Ext. 5461
Laboratorio 2.4

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Proyectos de investigación

MICINN: RTI2018-099055-B-I00
CM: PEJ-2019-TL/SAL-14602

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