Citação: Odenthal-Hesse L (2025) Características conservadas de controle de recombinação em vertebrados. PLoS Biol 23(1): e3002959. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002959
Financiamento: LOH recebeu apoio financeiro da Sociedade Max Planck. Os financiadores não tiveram nenhum papel no desenho do estudo, na coleta e análise de dados, na decisão de publicação ou na preparação do manuscrito.
Interesses conflitantes: O autor declarou que não existem interesses concorrentes.
A descoberta do papel do PRDM9 na orquestração da recombinação meiótica foi um avanço na compreensão da regulação da recombinação. O domínio metiltransferase do PRDM9 coloca faróis de sinalização nos resíduos de histonas, trimetilando a histona 3 lisina 4 (H3K4me3) e a histona 3 lisina 36 (H3K36me3), criando assim uma marca duplamente positiva fora dos elementos funcionais destinados à transcrição (1). O PRDM9 tem como alvo hotspots através do seu domínio de ligação ao DNA, que se liga a motivos específicos de DNA encontrados em todo o genoma. Como tal, o papel do PRDM9 é direcionar a recombinação para longe dos promotores da transcrição meiótica.
A recombinação meiótica é iniciada através de quebras de DNA de fita dupla no motivo PRDM9, que são reparadas por uma troca de materials genético do cromossomo homólogo. Os locais de troca genética estão concentrados nos chamados hotspots de recombinação. Se os motivos de ligação ao DNA diferirem devido à divergência de sequência entre homólogos, o motivo com afinidade de ligação mais forte receberá preferencialmente uma quebra inicial de DNA de cadeia dupla. À medida que as quebras são reparadas pela cópia da informação do homólogo intacto, ao longo do tempo, os motivos de ligação inicialmente mais fortes (que serão cortados com mais frequência) são preferencialmente substituídos por motivos mais fracos (que são cortados com menos frequência) (2). À medida que a força dos motivos de hotspot em todo o genoma diminui ao longo do tempo, este fenômeno tem sido chamado de erosão de hotspot.
Paradoxalmente, novos hotspots são ativados em novos locais do genoma devido à rápida evolução do domínio de ligação ao DNA da proteína PRDM9. Esta rápida evolução se deve a dois fatores: o domínio de ligação ao DNA do PRDM9 é codificado por um minissatélite hipervariável com alta instabilidade de repetição de novo (3), e há forte seleção positiva nas posições envolvidas na ligação ao DNA.
A proteína PRDM9 foi inicialmente considerada essencial para a fertilidade, mas, embora um gene completo estivesse presente no ancestral comum de todos os vertebrados, o PRDM9 foi perdido pelo menos 13 vezes de forma independente, incluindo em canídeos, anfíbios, crocodilianos, aves e vários espécies de peixes (4). Pelo menos em leveduras, plantas, aves e cães, a recombinação independente de PRDM9 mostra características unificadoras de altas taxas de recombinação em locais de cromatina aberta em regiões promotoras, incluindo locais de início de transcrição e em ilhas CpG associadas ao promotor.
As vias de recombinação independentes e dependentes de PRDM9 podem aparentemente coexistir em répteis escamosos, já que as cobras do milho usam pontos de acesso associados ao promotor e pontos de acesso de recombinação mediados por PRDM9 (5). Além disso, as cascavéis colocam preferencialmente DSBs meióticos em regiões promotoras, apesar da presença de PRDM9 funcional (6). Portanto, uma grande lacuna em nosso entendimento tem sido se os táxons não-mamíferos com PRDM9 o utilizam para determinar a localização de eventos de recombinação ou se a determinação de hotspots pelo PRDM9 pode ser um tanto relaxada fora dos mamíferos.
Para resolver esta lacuna de conhecimento, Raynaud e colegas investigaram o papel do Prdm9 gene na determinação da localização e rápida evolução de pontos de acesso de recombinação meiótica em peixes salmonídeos (7). Os salmonídeos são uma família diversificada de peixes teleósteos que provavelmente apresentam recombinação mediada por PRDM9, já que os autores puderam mostrar várias espécies de salmonídeos que possuem uma cópia completa do PRMD9 e todos os genes que tendem a coevoluir com o PRDM9. Múltiplas cópias do PRDM9 estão presentes em salmonídeos, originadas de vários eventos de duplicação do genoma completo, e linhagens distintas retiveram diferentes parálogos como cópias funcionais.
Truta arco-íris (Oncorhynchus mykiss) e salmão do Atlântico (Salmo salar) mostraram alta diversidade no domínio do dedo de zinco de ligação ao DNA do parálogo PRDM9 completo. A alta diversidade dentro da população foi demonstrada para mamíferos, incluindo humanos, baleias e ratos. Na truta arco-íris, a recombinação também se agrupou longe das regiões promotoras, e os locais de hotspot foram duplamente positivos para as modificações das histonas H3K4me3 e H3K36me3. A localização dos hotspots dependia do genótipo PRDM9 do peixe, evidência de um papel direto do PRDM9 na especificação de hotspots de recombinação em salmonídeos. As posições dos hotspots de recombinação em escala populacional não se sobrepuseram completamente, fornecendo mais evidências da rotatividade dos hotspots de recombinação e apoiando a hipótese de seleção positiva impulsionada pela “corrida armamentista” evolutiva entre o PRDM9 e seus locais de ligação. Tomados em conjunto, os dados coletados por Raynaud e colegas destacam que as 4 características marcantes da recombinação mediada por PRDM9 (Figura 1) estão presentes em peixes salmonídeos e, portanto, não são exclusivos dos mamíferos.
Figura 1. O PRDM9 funcional em salmonídeos possui 4 características marcantes.
(UM) (EU) Pontos de acesso de recombinação que compartilham motivos comuns, (II) evolução rápida e alta variabilidade em seu domínio de ligação ao DNA, (III) um sinal de trimetilação epigenético duplo positivo H3K4 e H3K36, (4) variação posicional em hotspots entre populações. A recombinação independente de PRDM9 ocorre em promotores com trimetilação H3K4 característica, e as posições dos hotspots mostram estabilidade evolutiva. (B) Como as características distintivas do PRDM9 eram anteriormente conhecidas apenas em mamíferos, os resultados de Raynaud e colegas movem assim a origem evolutiva da colocação dinâmica do hotspot pela proteína PRDM9 para um momento anterior ao que se acreditava anteriormente, indicado por uma seta conectando o linhas tracejadas em uma árvore filogenética de espécies representativas, onde as perdas de PRDM9 identificadas por (4) são indicados por estrelas. Criado em BioRender. ODENTHAL-HESSE, L. (2024) https://BioRender.com/l11h793.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002959.g001
Ainda precisamos entender o que faz um organismo usar a through mediada por PRDM9, quais organismos podem usar cromatina aberta associada ao promotor e sob quais condições. Em specific, resta estudar se estes processos são impulsionados pela erosão do native de ligação, por exemplo, se as vias padrão são ativadas quando um limiar crítico de baixas contagens de pontos críticos é ultrapassado, e se a erosão dos pontos críticos é um fator evolutivo para ativar a reparação eficiente. estratégias em cada linhagem. Isto levanta a questão de quão eficiente a reparação do ADN em elementos funcionais e promotores pode ser alcançada em diferentes linhagens e se todos estes organismos podem reactivar a mesma through de reparação – ou se cada linhagem desenvolveu estratégias específicas de linhagem.
Provavelmente serão necessários estudos em diversos organismos em toda a Árvore da Vida para entender como e por que a recombinação dirigida por PRDM9, um mecanismo geneticamente instável, evoluiu em primeiro lugar.
