Rekombinacja homologiczna i nierównozakończeniowe łączenie

Złamanie obu nici helisy DNA powoduje dwuniciowe pęknięcie, które, jeśli zostanie błędnie naprawione, może prowadzić do utraty materiału genetycznego lub przearanżowania chromosomów. Komórki naprawiają takie pęknięcia dwoma głównymi szlakami: rekombinacją homologiczną, która kopiuje sekwencję z nienaruszonego homologicznego szablonu i jest w dużej mierze bezbłędna, oraz nierównozakończeniowym łączeniem, które bezpośrednio łączy pęknięte końce i może działać w dowolnym momencie, ale może wprowadzać niewielkie zmiany w miejscu połączenia.

Definition

Rekombinacja homologiczna (HR) naprawia dwuniciowe pęknięcia przy użyciu homologicznej sekwencji DNA, zazwyczaj chromatydy siostrzanej, jako matrycy do dokładnej resyntezy, podczas gdy nierównozakończeniowe łączenie (NHEJ) naprawia je przez bezpośrednie ligowanie pękniętych końców z niewielkim lub żadnym wymogiem homologii sekwencji.

Scope

Niniejszy wpis porównuje oba szlaki naprawy dwuniciowych pęknięć, w tym etapy każdego z nich, rolę resekcji końców w kierowaniu wyborem szlaku oraz wpływ fazy cyklu komórkowego na to, który szlak dominuje. Jest to odniesienie mechanistyczne i nie stanowi wskazówek klinicznych.

Core questions

• Jak każdy szlak naprawia dwuniciowe pęknięcie?
• Co decyduje o tym, czy pęknięcie zostanie naprawione przez rekombinację, czy przez łączenie końców?
• Dlaczego rekombinacja homologiczna jest zazwyczaj dokładna, a łączenie końców czasami nie?
• Jak cykl komórkowy wpływa na wybór szlaku?

Key concepts

• Dwuniciowe pęknięcie
• Resekcja końców
• Szablon homologiczny (chromatydy siostrzanej)
• Inwazja nici
• Bezpośrednie ligowanie końców
• Wybór szlaku zależny od cyklu komórkowego
• Naprawa bezbłędna a naprawa z potencjalnymi błędami
• Przearanżowanie chromosomów

Mechanisms

Wybór szlaku jest w dużej mierze determinowany przez to, czy pęknięte końce są poddawane resekcji. W nierównozakończeniowym łączeniu końce są wiązane i minimalnie przetwarzane, a następnie bezpośrednio ligowane; Lieber opisuje, jak ten szlak może działać przez cały cykl komórkowy i jest dominującą drogą w komórkach ssaków, kosztem sporadycznego zmieniania sekwencji w miejscu połączenia. W rekombinacji homologicznej końce są poddawane resekcji w celu odsłonięcia jednoniciowego DNA, które następnie wnika w homologiczny szablon, zazwyczaj chromatydę siostrzaną, aby zainicjować dokładną resyntezę; Jasin i Rothstein szczegółowo opisują, jak użycie nienaruszonej kopii sekwencji sprawia, że ta droga jest w dużej mierze bezbłędna. Branzei i Foiani wyjaśniają, dlaczego wybór jest powiązany z cyklem komórkowym: rekombinacja homologiczna jest preferowana w fazach S i G2, gdy dostępna jest chromatydy siostrzana jako szablon, podczas gdy łączenie końców może działać, gdy taki szablon nie jest obecny.

Clinical relevance

Składniki rekombinacji homologicznej, w tym BRCA1 i BRCA2, są supresorami nowotworów, których utrata jest związana z dziedziczną predyspozycją do raka i z wrażliwością nowotworów na niektóre czynniki uszkadzające DNA oraz celowane leki; niniejszy wpis opisuje te powiązania jako tło mechanistyczne, a nie jako wskazówki do diagnozowania lub leczenia jakiejkolwiek osoby.

History

Rekombinacja homologiczna została po raz pierwszy zrozumiana dzięki badaniom genetycznym mejozy i rekombinacji bakteryjnej, a jej rola w naprawie chromosomowych dwuniciowych pęknięć została ustalona u drożdży, a następnie u komórek ssaków. Składniki molekularne nierównozakończeniowego łączenia zostały zdefiniowane częściowo dzięki mutantom wrażliwym na promieniowanie i z niedoborami odporności, ponieważ szlak ten łączy również pęknięcia powstające podczas przegrupowania genów przeciwciał, a oba szlaki zostały później umieszczone w szerszej odpowiedzi na uszkodzenia DNA.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Dlaczego rekombinacja homologiczna jest uważana za dokładniejszą niż łączenie końców?

Rekombinacja homologiczna kopiuje brakującą sekwencję z nienaruszonego homologicznego szablonu, zazwyczaj chromatydy siostrzanej, dzięki czemu przywracana jest pierwotna sekwencja, podczas gdy nierównozakończeniowe łączenie bezpośrednio łączy końce i może dodawać lub usuwać kilka nukleotydów w miejscu połączenia.

Kiedy komórka używa każdego szlaku?

Rekombinacja homologiczna jest preferowana w fazach S i G2, gdy dostępna jest chromatydy siostrzana jako szablon, podczas gdy nierównozakończeniowe łączenie może działać przez cały cykl komórkowy, w tym gdy nie ma dostępnego szablonu.