Гомологичная рекомбинация и негомологичное соединение концов

Двуцепочечный разрыв разрывает обе нити спирали ДНК и, в случае неправильного восстановления, может привести к потере генетического материала или хромосомной перестройке. Клетки восстанавливают такие разрывы двумя основными путями: гомологичной рекомбинацией, которая копирует последовательность с интактной гомологичной матрицы и в значительной степени безошибочна, и негомологичным соединением концов, которое напрямую соединяет разорванные концы и может действовать в любое время, но может вносить небольшие изменения в месте соединения.

Definition

Гомологичная рекомбинация (HR) восстанавливает двуцепочечные разрывы, используя гомологичную последовательность ДНК, обычно сестринскую хроматиду, в качестве матрицы для точного ресинтеза, тогда как негомологичное соединение концов (NHEJ) восстанавливает их путем прямого лигирования разорванных концов с небольшим или полным отсутствием требований к гомологии последовательностей.

Scope

Эта статья сравнивает два пути репарации двуцепочечных разрывов, включая этапы каждого из них, роль резекции концов в определении выбора пути и влияние фазы клеточного цикла на то, какой путь преобладает. Это механистический справочник, который не содержит клинических рекомендаций.

Core questions

• Как каждый путь восстанавливает двуцепочечный разрыв?
• Что определяет, будет ли разрыв восстановлен рекомбинацией или соединением концов?
• Почему гомологичная рекомбинация обычно точна, а соединение концов иногда нет?
• Как клеточный цикл влияет на выбор пути?

Key concepts

• Двуцепочечный разрыв
• Резекция концов
• Гомологичная матрица (сестринская хроматида)
• Инвазия нити
• Прямое лигирование концов
• Выбор пути, зависящий от клеточного цикла
• Безошибочная против ошибочной репарации
• Хромосомная перестройка

Mechanisms

Выбор пути в значительной степени определяется тем, резецированы ли разорванные концы. При негомологичном соединении концов концы связываются, минимально обрабатываются, а затем напрямую лигируются; Либер описывает, как этот путь может функционировать на протяжении всего клеточного цикла и является доминирующим путем в клетках млекопитающих, ценой случайного изменения последовательности в месте соединения. При гомологичной рекомбинации концы резецируются, чтобы обнажить одноцепочечную ДНК, которая затем инвазирует гомологичную матрицу, обычно сестринскую хроматиду, для инициации точного ресинтеза; Джасин и Ротштейн подробно описывают, как использование интактной копии последовательности делает этот путь в значительной степени безошибочным. Бранзей и Фойани объясняют, почему выбор связан с клеточным циклом: гомологичная рекомбинация предпочтительна в фазах S и G2, когда сестринская хроматида доступна в качестве матрицы, в то время как соединение концов может действовать, когда такой матрицы нет.

Clinical relevance

Компоненты гомологичной рекомбинации, включая BRCA1 и BRCA2, являются супрессорами опухолей, потеря которых связана с наследственной предрасположенностью к раку и с чувствительностью опухолей к определенным ДНК-повреждающим и таргетным агентам; эта статья описывает эти ассоциации как механистическую основу, а не как руководство по диагностике или лечению какого-либо конкретного человека.

History

Гомологичная рекомбинация была впервые понята благодаря генетическим исследованиям мейоза и микробной рекомбинации, и ее роль в репарации хромосомных двуцепочечных разрывов была установлена у дрожжей, а затем и в клетках млекопитающих. Молекулярные компоненты негомологичного соединения концов были определены частично с помощью радиочувствительных и иммунодефицитных мутантов, поскольку этот путь также соединяет разрывы, образующиеся во время перестройки генов антител, и два пути позже были помещены в более широкий контекст ответа на повреждение ДНК.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Почему гомологичная рекомбинация считается более точной, чем соединение концов?

Гомологичная рекомбинация копирует отсутствующую последовательность с интактной гомологичной матрицы, обычно сестринской хроматиды, поэтому исходная последовательность восстанавливается, тогда как негомологичное соединение концов напрямую соединяет концы и может добавлять или удалять несколько нуклеотидов в месте соединения.

Когда клетка использует каждый путь?

Гомологичная рекомбинация предпочтительна в фазах S и G2, когда сестринская хроматида доступна в качестве матрицы, тогда как негомологичное соединение концов может функционировать на протяжении всего клеточного цикла, в том числе когда матрица отсутствует.