Homologní rekombinace a nehomologní spojování konců

Zlom dvou vláken přetne obě vlákna DNA a v případě chybné opravy může způsobit ztrátu genetického materiálu nebo chromozomální přestavbu. Buňky opravují takové zlomy dvěma hlavními cestami: homologní rekombinací, která kopíruje sekvenci z neporušené homologní templáty a je z velké části bezchybná, a nehomologním spojováním konců, které přímo spojuje zlomené konce a může působit kdykoli, ale může zavést malé změny na spoji.

Definition

Homologní rekombinace (HR) opravuje dvouřetězcové zlomy pomocí homologní sekvence DNA, typicky sesterské chromatidy, jako templáty pro přesnou resyntézu, zatímco nehomologní spojování konců (NHEJ) je opravuje přímým ligováním zlomených konců s malou nebo žádnou potřebou sekvenční homologie.

Scope

Tento záznam porovnává obě dráhy opravy dvouřetězcových zlomů, včetně kroků každé z nich, role resekce konců při určování volby dráhy a vlivu fáze buněčného cyklu na to, která dráha převládá. Jedná se o mechanistický odkaz a neposkytuje klinické pokyny.

Core questions

• Jak každá dráha opravuje dvouřetězcový zlom?
• Co určuje, zda je zlom opraven rekombinací nebo spojováním konců?
• Proč je homologní rekombinace obecně přesná a spojování konců někdy ne?
• Jak buněčný cyklus ovlivňuje volbu dráhy?

Key concepts

• Dvouřetězcový zlom
• Resekce konců
• Homologní templáta (sesterská chromatida)
• Invaze vlákna
• Přímé ligování konců
• Volba dráhy závislá na buněčném cyklu
• Bezchybná versus chybová oprava
• Chromozomální přestavba

Mechanisms

Volba dráhy je z velké části dána tím, zda jsou zlomené konce resekovány. Při nehomologním spojování konců jsou konce minimálně vázány a zpracovány a poté přímo ligovány; Lieber popisuje, jak tato dráha může fungovat po celý buněčný cyklus a je dominantní cestou v savčích buňkách, za cenu občasné změny sekvence na spoji. Při homologní rekombinaci jsou konce resekovány, aby se odhalila jednovláknová DNA, která poté invaduje homologní templátu, obvykle sesterskou chromatidu, aby zahájila přesnou resyntézu; Jasin a Rothstein podrobně popisují, jak použití neporušené kopie sekvence činí tuto cestu z velké části bezchybnou. Branzei a Foiani vysvětlují, proč je volba spojena s buněčným cyklem: homologní rekombinace je upřednostňována ve fázích S a G2, kdy je k dispozici sesterská chromatida jako templáta, zatímco spojování konců může působit, když není přítomna žádná taková templáta.

Clinical relevance

Složky homologní rekombinace, včetně BRCA1 a BRCA2, jsou nádorové supresory, jejichž ztráta je spojena s dědičnou predispozicí k rakovině a s citlivostí nádorů na určité látky poškozující DNA a cílené látky; tento záznam popisuje tato spojení jako mechanistické pozadí a nikoli jako vodítko pro diagnostiku nebo léčbu jakéhokoli jednotlivce.

History

Homologní rekombinace byla poprvé pochopena prostřednictvím genetických studií meiózy a mikrobiální rekombinace a její role při opravě chromozomálních dvouřetězcových zlomů byla prokázána u kvasinek a poté u savčích buněk. Molekulární složky nehomologního spojování konců byly definovány částečně prostřednictvím radiosenzitivních a imunodeficientních mutantů, protože tato dráha také spojuje zlomy generované během přeskupení genů pro protilátky, a obě dráhy byly později zařazeny do širší odpovědi na poškození DNA.

Key figures

• Maria Jasin
• Rodney Rothstein
• Michael Lieber
• Stephen Jackson

Seminal works

• jasin-rothstein-2013
• lieber-2010
• branzei-foiani-2008

Frequently asked questions

Proč je homologní rekombinace považována za přesnější než spojování konců?

Homologní rekombinace kopíruje chybějící sekvenci z neporušené homologní templáty, obvykle sesterské chromatidy, takže se obnoví původní sekvence, zatímco nehomologní spojování konců přímo spojuje konce a může na spoji přidat nebo odebrat několik nukleotidů.

Kdy každou dráhu buňka používá?

Homologní rekombinace je upřednostňována ve fázích S a G2, kdy je k dispozici sesterská chromatida jako templáta, zatímco nehomologní spojování konců může působit po celý buněčný cyklus, včetně případů, kdy není přítomna žádná templáta.