Homolog rekombination og ikke-homolog endesammenføjning

Et dobbeltstrengsbrud gennemskærer begge strenge i DNA-helixen og kan, hvis det repareres forkert, forårsage tab af genetisk materiale eller kromosomale omlejringer. Celler reparerer sådanne brud via to hovedruter: homolog rekombination, som kopierer sekvens fra en intakt homolog skabelon og stort set er fejlfri, og ikke-homolog endesammenføjning, som direkte sammenføjer de brudte ender og kan virke til enhver tid, men kan introducere små ændringer ved overgangen.

Definition

Homolog rekombination (HR) reparerer dobbeltstrengsbrud ved at bruge en homolog DNA-sekvens, typisk søsterkromatidet, som skabelon for nøjagtig resyntese, hvorimod ikke-homolog endesammenføjning (NHEJ) reparerer dem ved direkte at ligere de brudte ender med ringe eller intet krav om sekvenshomologi.

Scope

Denne artikel sammenligner de to reparationsveje for dobbeltstrengsbrud, herunder trinene for hver, rollen af enderesektion i at styre valg af vej, og indflydelsen af cellecyklusfasen på, hvilken vej der dominerer. Det er en mekanistisk reference og giver ikke klinisk vejledning.

Core questions

• Hvordan reparerer hver vej et dobbeltstrengsbrud?
• Hvad bestemmer, om et brud repareres ved rekombination eller ved endesammenføjning?
• Hvorfor er homolog rekombination generelt nøjagtig og endesammenføjning sommetider ikke?
• Hvordan påvirker cellecyklussen valg af vej?

Key concepts

• Dobbeltstrengsbrud
• Enderesektion
• Homolog skabelon (søsterkromatid)
• Strandinvasion
• Direkte endeligering
• Cellecyklusafhængigt valg af vej
• Fejlfri versus fejlbehæftet reparation
• Kromosomal omlejring

Mechanisms

Valg af vej bestemmes i vid udstrækning af, om de brudte ender resekteres. Ved ikke-homolog endesammenføjning bindes og behandles enderne minimalt og ligers derefter direkte; Lieber beskriver, hvordan denne vej kan fungere gennem hele cellecyklussen og er den dominerende rute i pattedyrsceller, på bekostning af lejlighedsvis at ændre sekvensen ved overgangen. Ved homolog rekombination resekteres enderne for at eksponere enkeltstrenget DNA, som derefter invaderer en homolog skabelon, normalt søsterkromatidet, for at prime nøjagtig resyntese; Jasin og Rothstein beskriver detaljeret, hvordan brugen af en intakt kopi af sekvensen gør denne rute stort set fejlfri. Branzei og Foiani forklarer, hvorfor valget er koblet til cellecyklussen: homolog rekombination foretrækkes i S- og G2-faserne, når et søsterkromatid er tilgængeligt som skabelon, mens endesammenføjning kan virke, når ingen sådan skabelon er til stede.

Clinical relevance

Komponenter af homolog rekombination, herunder BRCA1 og BRCA2, er tumorsuppressorer, hvis tab er forbundet med arvelig kræftdisposition og med følsomhed af tumorer over for visse DNA-skadelige og målrettede midler; denne artikel beskriver disse associationer som mekanistisk baggrund og ikke som vejledning til diagnose eller behandling af individer.

History

Homolog rekombination blev først forstået gennem genetiske studier af meiose og mikrobiel rekombination, og dens rolle i reparation af kromosomale dobbeltstrengsbrud blev etableret i gær og derefter i pattedyrsceller. De molekylære komponenter af ikke-homolog endesammenføjning blev defineret delvist gennem strålingsfølsomme og immunodeficiente mutanter, da vejen også sammenføjer de brud, der genereres under antistofgenomrearrangering, og de to veje blev senere placeret inden for det bredere DNA-skadesrespons.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Hvorfor betragtes homolog rekombination som mere nøjagtig end endesammenføjning?

Homolog rekombination kopierer den manglende sekvens fra en intakt homolog skabelon, normalt søsterkromatidet, så den oprindelige sekvens gendannes, hvorimod ikke-homolog endesammenføjning sammenføjer enderne direkte og kan tilføje eller fjerne et par nukleotider ved overgangen.

Hvornår bruger cellen hver vej?

Homolog rekombination foretrækkes i S- og G2-faserne, når et søsterkromatid er tilgængeligt som skabelon, mens ikke-homolog endesammenføjning kan fungere gennem hele cellecyklussen, herunder når ingen skabelon er til stede.