Homolog rekombination och icke-homolog ändbindning

Ett dubbelsträngsbrott klyver båda strängarna i DNA-helixen och kan, om det repareras felaktigt, orsaka förlust av genetiskt material eller kromosomala omarrangemang. Celler reparerar sådana brott via två huvudvägar: homolog rekombination, som kopierar sekvens från en intakt homolog mall och i stort sett är felfri, och icke-homolog ändbindning, som direkt sammanfogar de brutna ändarna och kan verka när som helst men kan introducera små förändringar vid skarven.

Definition

Homolog rekombination (HR) reparerar dubbelsträngsbrott genom att använda en homolog DNA-sekvens, typiskt systerkromatiden, som mall för noggrann återresyntes, medan icke-homolog ändbindning (NHEJ) reparerar dem genom direkt ligering av de brutna ändarna med liten eller ingen krav på sekvenshomologi.

Scope

Denna uppslagsartikel jämför de två reparationsvägarna för dubbelsträngsbrott, inklusive stegen för var och en, rollen av ändresektion vid val av väg, och cellcykelfasens inflytande på vilken väg som dominerar. Det är en mekanistisk referens och ger ingen klinisk vägledning.

Core questions

• Hur reparerar varje väg ett dubbelsträngsbrott?
• Vad avgör om ett brott repareras genom rekombination eller ändbindning?
• Varför är homolog rekombination generellt noggrann och ändbindning ibland inte?
• Hur påverkar cellcykeln valet av väg?

Key concepts

• Dubbelsträngsbrott
• Ändresektion
• Homolog mall (systerkromatid)
• Stränginvasion
• Direkt ändligigering
• Cellcykelberoende vägval
• Felfri kontra felbenägen reparation
• Kromosomalt omarrangemang

Mechanisms

Valet av väg bestäms till stor del av om de brutna ändarna resekeras. Vid icke-homolog ändbindning binds ändarna och bearbetas minimalt och ligeras sedan direkt; Lieber beskriver hur denna väg kan verka under hela cellcykeln och är den dominerande rutten i däggdjursceller, till priset av att ibland ändra sekvensen vid skarven. Vid homolog rekombination resekeras ändarna för att exponera enkelsträngat DNA, som sedan invaderar en homolog mall, vanligtvis systerkromatiden, för att primera noggrann återresyntes; Jasin och Rothstein beskriver i detalj hur användningen av en intakt kopia av sekvensen gör denna rutt i stort sett felfri. Branzei och Foiani förklarar varför valet är kopplat till cellcykeln: homolog rekombination gynnas i S- och G2-faserna när en systerkromatid finns tillgänglig som mall, medan ändbindning kan verka när ingen sådan mall finns.

Clinical relevance

Komponenter i homolog rekombination, inklusive BRCA1 och BRCA2, är tumörsuppressorer vars förlust är associerad med ärftlig cancerpredisposition och med tumörers känslighet för vissa DNA-skadande och riktade medel; denna uppslagsartikel beskriver dessa associationer som mekanistisk bakgrund och inte som vägledning för diagnos eller behandling av någon individ.

History

Homolog rekombination förstås först genom genetiska studier av meios och mikrobiell rekombination, och dess roll i reparation av kromosomala dubbelsträngsbrott etablerades i jäst och sedan i däggdjursceller. De molekylära komponenterna i icke-homolog ändbindning definierades delvis genom strålningskänsliga och immunbristande mutanter, eftersom vägen också sammanfogar de brott som genereras under antikroppsgenomarrangemang, och de två vägarna placerades senare inom det bredare svaret på DNA-skador.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Varför anses homolog rekombination vara mer noggrann än ändbindning?

Homolog rekombination kopierar den saknade sekvensen från en intakt homolog mall, vanligtvis systerkromatiden, så den ursprungliga sekvensen återställs, medan icke-homolog ändbindning sammanfogar ändarna direkt och kan lägga till eller ta bort några nukleotider vid skarven.

När använder cellen varje väg?

Homolog rekombination gynnas i S- och G2-faserna när en systerkromatid finns tillgänglig som mall, medan icke-homolog ändbindning kan verka under hela cellcykeln, inklusive när ingen mall finns.