Homologe Rekombination und nicht-homologes Endjoining

Ein Doppelstrangbruch trennt beide Stränge der DNA-Helix und kann, wenn er fehlerhaft repariert wird, zu Verlust von genetischem Material oder chromosomalen Umlagerungen führen. Zellen reparieren solche Brüche hauptsächlich auf zwei Wegen: durch homologe Rekombination, die Sequenzen von einer intakten homologen Matrize kopiert und weitgehend fehlerfrei ist, und durch nicht-homologes Endjoining, das die gebrochenen Enden direkt wieder verbindet und jederzeit wirken kann, aber kleine Veränderungen an der Verbindungsstelle hervorrufen kann.

Definition

Die homologe Rekombination (HR) repariert Doppelstrangbrüche, indem sie eine homologe DNA-Sequenz, typischerweise die Schwesterchromatide, als Matrize für eine präzise Resynthese verwendet, während das nicht-homologe Endjoining (NHEJ) diese durch direkte Ligation der gebrochenen Enden mit geringem oder keinem Bedarf an Sequenzhomologie repariert.

Scope

Dieser Eintrag vergleicht die beiden Reparaturwege für Doppelstrangbrüche, einschließlich der einzelnen Schritte, der Rolle der Endresektion bei der Steuerung der Pfadwahl und des Einflusses der Zellzyklusphase auf die Dominanz des jeweiligen Pfades. Es handelt sich um eine mechanistische Referenz, die keine klinische Anleitung bietet.

Core questions

• Wie repariert jeder Pfad einen Doppelstrangbruch?
• Was bestimmt, ob ein Bruch durch Rekombination oder durch Endjoining repariert wird?
• Warum ist die homologe Rekombination im Allgemeinen präzise und das Endjoining manchmal nicht?
• Wie beeinflusst der Zellzyklus die Pfadwahl?

Key concepts

• Doppelstrangbruch
• Endresektion
• Homologe Matrize (Schwesterchromatide)
• Stranginversion
• Direkte Endligation
• Zellzyklusabhängige Pfadwahl
• Fehlerfreie versus fehleranfällige Reparatur
• Chromosomale Umlagerung

Mechanisms

Die Pfadwahl wird maßgeblich davon bestimmt, ob die gebrochenen Enden reseziert werden. Beim nicht-homologen Endjoining werden die Enden gebunden und minimal prozessiert und dann direkt ligiert; Lieber beschreibt, wie dieser Pfad während des gesamten Zellzyklus operieren kann und der dominante Weg in Säugetierzellen ist, auf Kosten gelegentlicher Veränderungen der Sequenz an der Verbindungsstelle. Bei der homologen Rekombination werden die Enden reseziert, um einzelsträngige DNA freizulegen, die dann in eine homologe Matrize, gewöhnlich die Schwesterchromatide, eindringt, um eine präzise Resynthese zu initiieren; Jasin und Rothstein erläutern, wie die Verwendung einer intakten Kopie der Sequenz diesen Weg weitgehend fehlerfrei macht. Branzei und Foiani erklären, warum die Wahl an den Zellzyklus gekoppelt ist: Homologe Rekombination wird in den S- und G2-Phasen bevorzugt, wenn eine Schwesterchromatide als Matrize verfügbar ist, während das Endjoining wirken kann, wenn keine solche Matrize vorhanden ist.

Clinical relevance

Komponenten der homologen Rekombination, einschließlich BRCA1 und BRCA2, sind Tumorsuppressoren, deren Verlust mit einer erblichen Krebsprädisposition und mit der Empfindlichkeit von Tumoren gegenüber bestimmten DNA-schädigenden und zielgerichteten Wirkstoffen verbunden ist; dieser Eintrag beschreibt diese Assoziationen als mechanistischen Hintergrund und nicht als Leitfaden für die Diagnose oder Behandlung eines Individuums.

History

Die homologe Rekombination wurde zuerst durch genetische Studien der Meiose und mikrobiellen Rekombination verstanden, und ihre Rolle bei der Reparatur chromosomaler Doppelstrangbrüche wurde in Hefe und dann in Säugetierzellen etabliert. Die molekularen Komponenten des nicht-homologen Endjoinings wurden teilweise durch strahlungsempfindliche und immundefiziente Mutanten definiert, da der Pfad auch die Brüche verbindet, die während der Antikörpergen-Umlagerung entstehen, und die beiden Pfade wurden später in die umfassendere DNA-Schadensantwort eingeordnet.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Warum wird die homologe Rekombination als genauer angesehen als das Endjoining?

Die homologe Rekombination kopiert die fehlende Sequenz von einer intakten homologen Matrize, gewöhnlich der Schwesterchromatide, sodass die ursprüngliche Sequenz wiederhergestellt wird, während das nicht-homologe Endjoining die Enden direkt wieder verbindet und dabei einige Nukleotide an der Verbindungsstelle hinzufügen oder entfernen kann.

Wann verwendet die Zelle welchen Pfad?

Die homologe Rekombination wird in den S- und G2-Phasen bevorzugt, wenn eine Schwesterchromatide als Matrize verfügbar ist, während das nicht-homologe Endjoining während des gesamten Zellzyklus operieren kann, auch wenn keine Matrize vorhanden ist.