การรวมตัวกันใหม่แบบฮอมอโลกัสและการเชื่อมปลายแบบไม่ฮอมอโลกัส

การแตกของดีเอ็นเอแบบสองสาย (double-strand break) คือการที่สายดีเอ็นเอทั้งสองสายขาดออกจากกัน และหากได้รับการซ่อมแซมที่ไม่ถูกต้อง อาจทำให้เกิดการสูญเสียสารพันธุกรรมหรือการจัดเรียงโครโมโซมใหม่ได้ เซลล์ซ่อมแซมการแตกดังกล่าวด้วยสองเส้นทางหลัก: การรวมตัวกันใหม่แบบฮอมอโลกัส (homologous recombination) ซึ่งคัดลอกลำดับจากแม่แบบฮอมอโลกัสที่สมบูรณ์และส่วนใหญ่ปราศจากข้อผิดพลาด และการเชื่อมปลายแบบไม่ฮอมอโลกัส (non-homologous end joining) ซึ่งเชื่อมปลายที่ขาดเข้าด้วยกันโดยตรงและสามารถทำงานได้ตลอดเวลา แต่อาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยที่รอยต่อ

Definition

การรวมตัวกันใหม่แบบฮอมอโลกัส (Homologous recombination, HR) ซ่อมแซมการแตกของดีเอ็นเอแบบสองสายโดยใช้ลำดับดีเอ็นเอแบบฮอมอโลกัส ซึ่งโดยทั่วไปคือซิสเตอร์โครมาทิด เป็นแม่แบบสำหรับการสังเคราะห์ใหม่ที่แม่นยำ ในขณะที่การเชื่อมปลายแบบไม่ฮอมอโลกัส (non-homologous end joining, NHEJ) ซ่อมแซมโดยการเชื่อมปลายที่ขาดเข้าด้วยกันโดยตรงโดยมีความต้องการลำดับฮอมอโลกัสน้อยมากหรือไม่ต้องการเลย

Scope

บทความนี้เปรียบเทียบเส้นทางการซ่อมแซมดีเอ็นเอแบบสองสายทั้งสองเส้นทาง รวมถึงขั้นตอนของแต่ละเส้นทาง บทบาทของการตัดปลาย (end resection) ในการกำหนดทางเลือกของเส้นทาง และอิทธิพลของระยะวัฏจักรเซลล์ที่มีต่อเส้นทางที่เด่นกว่า บทความนี้เป็นข้อมูลอ้างอิงเชิงกลไกและไม่ได้ให้คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• แต่ละเส้นทางซ่อมแซมการแตกของดีเอ็นเอแบบสองสายได้อย่างไร?
• อะไรเป็นตัวกำหนดว่าการแตกจะได้รับการซ่อมแซมโดยการรวมตัวกันใหม่หรือโดยการเชื่อมปลาย?
• เหตุใดการรวมตัวกันใหม่แบบฮอมอโลกัสจึงแม่นยำโดยทั่วไป และการเชื่อมปลายบางครั้งไม่แม่นยำ?
• วัฏจักรเซลล์มีอิทธิพลต่อการเลือกเส้นทางอย่างไร?

Key concepts

• การแตกของดีเอ็นเอแบบสองสาย
• การตัดปลาย
• แม่แบบฮอมอโลกัส (ซิสเตอร์โครมาทิด)
• การบุกรุกสายดีเอ็นเอ
• การเชื่อมปลายโดยตรง
• การเลือกเส้นทางที่ขึ้นกับวัฏจักรเซลล์
• การซ่อมแซมที่ปราศจากข้อผิดพลาดเทียบกับการซ่อมแซมที่ผิดพลาดได้
• การจัดเรียงโครโมโซมใหม่

Mechanisms

การเลือกเส้นทางส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยว่าปลายที่ขาดได้รับการตัดหรือไม่ ในการเชื่อมปลายแบบไม่ฮอมอโลกัส ปลายจะถูกจับและประมวลผลน้อยที่สุด จากนั้นจึงเชื่อมเข้าด้วยกันโดยตรง Lieber อธิบายว่าเส้นทางนี้สามารถทำงานได้ตลอดวัฏจักรเซลล์และเป็นเส้นทางที่เด่นในเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม โดยมีค่าใช้จ่ายคือการเปลี่ยนแปลงลำดับที่รอยต่อเป็นครั้งคราว ในการรวมตัวกันใหม่แบบฮอมอโลกัส ปลายจะถูกตัดเพื่อเปิดเผยดีเอ็นเอสายเดี่ยว ซึ่งจากนั้นจะบุกรุกแม่แบบฮอมอโลกัส ซึ่งโดยปกติคือซิสเตอร์โครมาทิด เพื่อเป็นตัวเริ่มต้นการสังเคราะห์ใหม่ที่แม่นยำ Jasin และ Rothstein ให้รายละเอียดว่าการใช้สำเนาลำดับที่สมบูรณ์ทำให้เส้นทางนี้ส่วนใหญ่ปราศจากข้อผิดพลาด Branzei และ Foiani อธิบายว่าเหตุใดการเลือกจึงเชื่อมโยงกับวัฏจักรเซลล์: การรวมตัวกันใหม่แบบฮอมอโลกัสเป็นที่นิยมในระยะ S และ G2 เมื่อมีซิสเตอร์โครมาทิดเป็นแม่แบบ ในขณะที่การเชื่อมปลายสามารถทำงานได้เมื่อไม่มีแม่แบบดังกล่าว

Clinical relevance

ส่วนประกอบของการรวมตัวกันใหม่แบบฮอมอโลกัส รวมถึง BRCA1 และ BRCA2 เป็นยีนยับยั้งเนื้องอก (tumour suppressors) ซึ่งการสูญเสียของยีนเหล่านี้เกี่ยวข้องกับความเสี่ยงต่อการเกิดมะเร็งทางพันธุกรรมและความไวของเนื้องอกต่อสารทำลายดีเอ็นเอและสารเป้าหมายบางชนิด บทความนี้อธิบายความสัมพันธ์เหล่านี้ในฐานะพื้นฐานทางกลไกและไม่ใช่คำแนะนำสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษาบุคคลใดๆ

History

การรวมตัวกันใหม่แบบฮอมอโลกัสถูกทำความเข้าใจครั้งแรกผ่านการศึกษาทางพันธุกรรมของการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิสและการรวมตัวกันใหม่ของจุลินทรีย์ และบทบาทของมันในการซ่อมแซมการแตกของดีเอ็นเอแบบสองสายในโครโมโซมได้รับการยืนยันในยีสต์แล้วจึงในเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ส่วนประกอบระดับโมเลกุลของการเชื่อมปลายแบบไม่ฮอมอโลกัสถูกกำหนดบางส่วนผ่านการกลายพันธุ์ที่ไวต่อรังสีและมีภูมิคุ้มกันบกพร่อง เนื่องจากเส้นทางนี้ยังเชื่อมรอยแตกที่เกิดขึ้นระหว่างการจัดเรียงยีนแอนติบอดีใหม่ และเส้นทางทั้งสองถูกจัดอยู่ในกลุ่มการตอบสนองต่อความเสียหายของดีเอ็นเอในวงกว้างขึ้นในภายหลัง

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

เหตุใดการรวมตัวกันใหม่แบบฮอมอโลกัสจึงถือว่าแม่นยำกว่าการเชื่อมปลาย?

การรวมตัวกันใหม่แบบฮอมอโลกัสคัดลอกลำดับที่ขาดหายไปจากแม่แบบฮอมอโลกัสที่สมบูรณ์ ซึ่งโดยปกติคือซิสเตอร์โครมาทิด ดังนั้นลำดับเดิมจึงได้รับการฟื้นฟู ในขณะที่การเชื่อมปลายแบบไม่ฮอมอโลกัสจะเชื่อมปลายเข้าด้วยกันโดยตรงและอาจเพิ่มหรือลบนิวคลีโอไทด์บางส่วนที่รอยต่อ

เซลล์ใช้แต่ละเส้นทางเมื่อใด?

การรวมตัวกันใหม่แบบฮอมอโลกัสเป็นที่นิยมในระยะ S และ G2 เมื่อมีซิสเตอร์โครมาทิดเป็นแม่แบบ ในขณะที่การเชื่อมปลายแบบไม่ฮอมอโลกัสสามารถทำงานได้ตลอดวัฏจักรเซลล์ รวมถึงเมื่อไม่มีแม่แบบ