Ομόλογος Ανασυνδυασμός και Μη Ομόλογη Σύνδεση Άκρων

Ένα διπλό θραύσμα αλυσίδας διατέμνει και τις δύο αλυσίδες της έλικας του DNA και, εάν επιδιορθωθεί εσφαλμένα, μπορεί να προκαλέσει απώλεια γενετικού υλικού ή αναδιάταξη χρωμοσωμάτων. Τα κύτταρα επιδιορθώνουν τέτοια θραύσματα μέσω δύο κύριων οδών: ομόλογος ανασυνδυασμός, ο οποίος αντιγράφει αλληλουχία από ένα άθικτο ομόλογο πρότυπο και είναι σε μεγάλο βαθμό χωρίς σφάλματα, και μη ομόλογη σύνδεση άκρων, η οποία επανασυνδέει άμεσα τα θραυσμένα άκρα και μπορεί να δράσει οποιαδήποτε στιγμή, αλλά μπορεί να εισάγει μικρές αλλαγές στην ένωση.

Definition

Ο ομόλογος ανασυνδυασμός (HR) επιδιορθώνει διπλά θραύσματα αλυσίδας χρησιμοποιώντας μια ομόλογη αλληλουχία DNA, συνήθως το θυγατρικό χρωματίδιο, ως πρότυπο για ακριβή επανασύνθεση, ενώ η μη ομόλογη σύνδεση άκρων (NHEJ) τα επιδιορθώνει με άμεση σύνδεση των θραυσμένων άκρων με μικρή ή καθόλου απαίτηση για ομολογία αλληλουχίας.

Scope

Η παρούσα καταχώριση συγκρίνει τις δύο οδούς επιδιόρθωσης διπλών θραυσμάτων αλυσίδας, συμπεριλαμβανομένων των σταδίων καθεμιάς, του ρόλου της εκτομής άκρων στην κατεύθυνση της επιλογής οδού και της επίδρασης της φάσης του κυτταρικού κύκλου στην επικρατούσα οδό. Πρόκειται για μια μηχανιστική αναφορά και δεν παρέχει κλινική καθοδήγηση.

Core questions

• Πώς επιδιορθώνει κάθε οδός ένα διπλό θραύσμα αλυσίδας;
• Τι καθορίζει εάν ένα θραύσμα επιδιορθώνεται με ανασυνδυασμό ή με σύνδεση άκρων;
• Γιατί ο ομόλογος ανασυνδυασμός είναι γενικά ακριβής και η σύνδεση άκρων μερικές φορές όχι;
• Πώς επηρεάζει ο κυτταρικός κύκλος την επιλογή οδού;

Key concepts

• Διπλό θραύσμα αλυσίδας
• Εκτομή άκρων
• Ομόλογο πρότυπο (θυγατρικό χρωματίδιο)
• Εισβολή αλυσίδας
• Άμεση σύνδεση άκρων
• Επιλογή οδού ανάλογα με τον κυτταρικό κύκλο
• Επιδιόρθωση χωρίς σφάλματα έναντι επιδιόρθωσης με σφάλματα
• Χρωμοσωμική αναδιάταξη

Mechanisms

Η επιλογή οδού καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από το αν τα θραυσμένα άκρα υφίστανται εκτομή. Στη μη ομόλογη σύνδεση άκρων, τα άκρα συνδέονται και επεξεργάζονται ελάχιστα και στη συνέχεια συνδέονται άμεσα· ο Lieber περιγράφει πώς αυτή η οδός μπορεί να λειτουργεί καθ' όλη τη διάρκεια του κυτταρικού κύκλου και είναι η επικρατούσα οδός στα θηλαστικά κύτταρα, με κόστος την περιστασιακή αλλοίωση της αλληλουχίας στην ένωση. Στον ομόλογο ανασυνδυασμό, τα άκρα υφίστανται εκτομή για να εκτεθούν μονόκλωνες αλυσίδες DNA, οι οποίες στη συνέχεια εισβάλλουν σε ένα ομόλογο πρότυπο, συνήθως το θυγατρικό χρωματίδιο, για να εκκινήσουν ακριβή επανασύνθεση· οι Jasin και Rothstein αναλύουν πώς η χρήση ενός άθικτου αντιγράφου της αλληλουχίας καθιστά αυτή την οδό σε μεγάλο βαθμό χωρίς σφάλματα. Οι Branzei και Foiani εξηγούν γιατί η επιλογή συνδέεται με τον κυτταρικό κύκλο: ο ομόλογος ανασυνδυασμός ευνοείται στις φάσεις S και G2 όταν ένα θυγατρικό χρωματίδιο είναι διαθέσιμο ως πρότυπο, ενώ η σύνδεση άκρων μπορεί να δράσει όταν δεν υπάρχει τέτοιο πρότυπο.

Clinical relevance

Συστατικά του ομόλογου ανασυνδυασμού, συμπεριλαμβανομένων των BRCA1 και BRCA2, είναι ογκοκατασταλτικές πρωτεΐνες των οποίων η απώλεια σχετίζεται με κληρονομική προδιάθεση για καρκίνο και με ευαισθησία όγκων σε ορισμένους παράγοντες που βλάπτουν το DNA και στοχευτικούς παράγοντες· η παρούσα καταχώριση περιγράφει αυτές τις συσχετίσεις ως μηχανιστικό υπόβαθρο και όχι ως καθοδήγηση για τη διάγνωση ή θεραπεία οποιουδήποτε ατόμου.

History

Ο ομόλογος ανασυνδυασμός πρωτοκατανοήθηκε μέσω γενετικών μελετών της μείωσης και του μικροβιακού ανασυνδυασμού, και ο ρόλος του στην επιδιόρθωση χρωμοσωμικών διπλών θραυσμάτων αλυσίδας καθιερώθηκε σε ζύμες και στη συνέχεια σε κύτταρα θηλαστικών. Τα μοριακά συστατικά της μη ομόλογης σύνδεσης άκρων ορίστηκαν εν μέρει μέσω μεταλλαγμένων ευαίσθητων στην ακτινοβολία και ανοσοανεπαρκών, καθώς η οδός συνδέει επίσης τα θραύσματα που δημιουργούνται κατά την αναδιάταξη γονιδίων αντισωμάτων, και οι δύο οδοί τοποθετήθηκαν αργότερα στο ευρύτερο πλαίσιο της απόκρισης στη βλάβη του DNA.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Γιατί ο ομόλογος ανασυνδυασμός θεωρείται πιο ακριβής από τη σύνδεση άκρων;

Ο ομόλογος ανασυνδυασμός αντιγράφει την χαμένη αλληλουχία από ένα άθικτο ομόλογο πρότυπο, συνήθως το θυγατρικό χρωματίδιο, έτσι αποκαθίσταται η αρχική αλληλουχία, ενώ η μη ομόλογη σύνδεση άκρων επανασυνδέει τα άκρα άμεσα και μπορεί να προσθέσει ή να αφαιρέσει μερικά νουκλεοτίδια στην ένωση.

Πότε χρησιμοποιεί το κύτταρο κάθε οδό;

Ο ομόλογος ανασυνδυασμός ευνοείται στις φάσεις S και G2 όταν ένα θυγατρικό χρωματίδιο είναι διαθέσιμο ως πρότυπο, ενώ η μη ομόλογη σύνδεση άκρων μπορεί να δράσει καθ' όλη τη διάρκεια του κυτταρικού κύκλου, συμπεριλαμβανομένης της περίπτωσης που δεν υπάρχει πρότυπο.