Гомологічна рекомбінація та негомологічне з'єднання кінців

Розрив подвійної нитки ДНК розсікає обидві нитки спіралі, і, якщо він неправильно відновлений, може призвести до втрати генетичного матеріалу або перебудови хромосом. Клітини відновлюють такі розриви двома основними шляхами: гомологічною рекомбінацією, яка копіює послідовність з неушкодженого гомологічного шаблону і є переважно безпомилковою, та негомологічним з'єднанням кінців, яке безпосередньо з'єднує розірвані кінці і може відбуватися в будь-який час, але може вносити невеликі зміни на місці з'єднання.

Definition

Гомологічна рекомбінація (HR) відновлює розриви подвійної нитки, використовуючи гомологічну послідовність ДНК, зазвичай сестринську хроматиду, як шаблон для точного відновлення синтезу, тоді як негомологічне з'єднання кінців (NHEJ) відновлює їх шляхом прямого з'єднання розірваних кінців з мінімальною або нульовою потребою в гомології послідовностей.

Scope

Ця стаття порівнює два шляхи відновлення розривів подвійної нитки, включаючи етапи кожного, роль видалення кінців у визначенні вибору шляху та вплив фази клітинного циклу на те, який шлях переважає. Це механістичний довідник і не надає клінічних рекомендацій.

Core questions

• Як кожен шлях відновлює розрив подвійної нитки?
• Що визначає, чи розрив відновлюється шляхом рекомбінації чи з'єднання кінців?
• Чому гомологічна рекомбінація зазвичай точна, а з'єднання кінців іноді ні?
• Як клітинний цикл впливає на вибір шляху?

Key concepts

• Розрив подвійної нитки
• Видалення кінців
• Гомологічний шаблон (сестринська хроматида)
• Вторгнення нитки
• Пряме з'єднання кінців
• Вибір шляху залежно від клітинного циклу
• Безпомилкове проти помилкового відновлення
• Перебудова хромосом

Mechanisms

Вибір шляху значною мірою визначається тим, чи видаляються розірвані кінці. При негомологічному з'єднанні кінців кінці мінімально зв'язуються та обробляються, а потім безпосередньо з'єднуються; Лібер описує, як цей шлях може функціонувати протягом усього клітинного циклу і є домінуючим маршрутом у клітинах ссавців, ціною іноді зміни послідовності на місці з'єднання. При гомологічній рекомбінації кінці видаляються, щоб виявити однониткову ДНК, яка потім вторгається в гомологічний шаблон, зазвичай сестринську хроматиду, для запуску точного відновлення синтезу; Джасін і Ротштейн детально описують, як використання неушкодженої копії послідовності робить цей маршрут переважно безпомилковим. Бранзей і Фояні пояснюють, чому вибір пов'язаний з клітинним циклом: гомологічна рекомбінація переважує у фазах S і G2, коли доступна сестринська хроматида як шаблон, тоді як з'єднання кінців може діяти, коли такого шаблону немає.

Clinical relevance

Компоненти гомологічної рекомбінації, включаючи BRCA1 і BRCA2, є супресорами пухлин, втрата яких пов'язана зі спадковою схильністю до раку та чутливістю пухлин до певних пошкоджуючих ДНК та цільових агентів; ця стаття описує ці асоціації як механістичний фон, а не як керівництво для діагностики або лікування будь-якої особи.

History

Гомологічна рекомбінація вперше була зрозуміла через генетичні дослідження мейозу та мікробної рекомбінації, а її роль у відновленні хромосомних розривів подвійної нитки була встановлена у дріжджах, а потім у клітинах ссавців. Молекулярні компоненти негомологічного з'єднання кінців були визначені частково за допомогою радіочутливих та імунодефіцитних мутантів, оскільки цей шлях також з'єднує розриви, що виникають під час перебудови генів антитіл, а пізніше два шляхи були включені до ширшої відповіді на пошкодження ДНК.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Чому гомологічна рекомбінація вважається точнішою за з'єднання кінців?

Гомологічна рекомбінація копіює відсутню послідовність з неушкодженого гомологічного шаблону, зазвичай сестринської хроматиди, тому оригінальна послідовність відновлюється, тоді як негомологічне з'єднання кінців з'єднує кінці безпосередньо і може додавати або видаляти кілька нуклеотидів на місці з'єднання.

Коли клітина використовує кожен шлях?

Гомологічна рекомбінація переважує у фазах S і G2, коли доступна сестринська хроматида як шаблон, тоді як негомологічне з'єднання кінців може діяти протягом усього клітинного циклу, в тому числі коли шаблон відсутній.