резекция конца ДНК
Биохимический процесс

Резекция конца ДНК , также называемая 5′–3′ деградацией , представляет собой биохимический процесс, при котором тупой конец участка двухцепочечной ДНК (dsDNA) модифицируется путем отрезания некоторых нуклеотидов с 5'-конца для получения 3'-одноцепочечной последовательности. [1] [2] Наличие участка одноцепочечной ДНК (ssDNA) позволяет разорванному концу ДНК точно выровняться с соответствующей последовательностью, так что его можно точно восстановить. [1]

Механизм регуляции 5'-резекции митотических и теломерных DSB. [3]

Двухцепочечные разрывы (DSB) могут происходить на любой фазе клеточного цикла, вызывая резекцию концов ДНК и репарационную активность, но они также являются нормальными промежуточными продуктами в митотической рекомбинации. [3] Более того, естественные концы линейных хромосом напоминают DSB, и хотя разрывы ДНК могут вызывать повреждение целостности геномной ДНК, естественные концы упакованы в сложные специализированные защитные пакеты ДНК, называемые теломерами , которые предотвращают репарационную активность ДНК. [3] [4] Теломеры и митотические DSB имеют различную функциональность, но оба подвергаются одному и тому же процессу деградации 5′–3′.

Фон

Двухцепочечный разрыв — это вид повреждения ДНК, при котором обе цепи в двойной спирали разрываются. DSB возникают только во время репликации ДНК в клеточном цикле . Кроме того, DSB могут приводить к перестройкам и нестабильности генома. [3] Случаи, когда две комплементарные цепи связаны в точке DSB, потенциально могут быть катастрофическими, так что клетка не сможет завершить митоз при следующем делении и либо умрет, либо, в редких случаях, подвергнется потере хромосом, дупликациям и даже мутациям . [5] [6] Существуют три механизма восстановления DSB: негомологичное соединение концов (NHEJ), микрогомологичное соединение концов (MMEJ) и гомологичная рекомбинация HR. [7] [8] [9] Из них только NHEJ не полагается на резекцию конца ДНК. [2]

Механизм

Точная репарация DSB необходима для поддержания целостности генома. Из трех механизмов, которые существуют для репарации DSB, механизмы репарации NHEJ и HR являются доминирующими путями. [4] Несколько высококонсервативных белков запускают контрольную точку повреждения ДНК для обнаружения DSB, после чего репарация осуществляется либо путями репарации NHEJ, либо HR. [3] Механизм NHEJ функционирует при лигировании двух разных DSB с высокой точностью, в то время как HR полагается на гомологичный шаблон для репарации концов DSB. [3] [4]

Резекция конца ДНК в пути HR происходит только в двух определенных фазах: фазах S и G2 . [4] [3] Поскольку путь HR требует сестринских хроматид для активации, это событие происходит только в фазах G2 и S клеточного цикла во время репликации. [3] [4] DSB, которые не начали резекцию конца ДНК, могут быть лигированы путем NHEJ, но резекция нескольких нуклеотидов ингибирует путь NHEJ и фиксирует репарацию ДНК путем HR. [10] Путь NHEJ участвует в течение всего клеточного цикла, но он имеет решающее значение для репарации ДНК во время фазы G1 . [3] [10] В фазе G1 нет сестринских хроматид для репарации DSB через путь HR, что делает путь NHEJ критическим механизмом репарации. [3] [10]

Прежде чем резекция может произойти, разрыв должен быть обнаружен. У животных это обнаружение осуществляется PARP1 ; [11] похожие системы существуют и у других эукариот : у растений, по-видимому, эту роль играет PARP2 . [12] Связывание PARP затем привлекает комплекс MRN к месту разрыва. [13] Это высококонсервативный комплекс , состоящий из Mre11 , Rad50 и NBS1 (известный как нибрин [14] у млекопитающих или Xrs2 у дрожжей, где этот комплекс называется комплексом MRX ).

Перед началом резекции белок, взаимодействующий с CtBP1 (CtIP), должен связаться с комплексом MRN, чтобы могла начаться первая фаза резекции, а именно резекция конца на коротком расстоянии. [7] [15] [16] После связывания фосфорилированного CtIP субъединица Mre11 способна эндонуклеолитически разрезать 5'-концевую цепь , вероятно, примерно в 300 парах оснований от конца, [15] [16] а затем действует как 3'→5' экзонуклеаза , чтобы отделить конец 5'-цепи. [16]

Резекция двухцепочечных разрывов теломер

Линейные хромосомы упакованы в сложные специализированные защитные пакеты ДНК, называемые теломерами . [3] [4] Структура теломер очень консервативна и организована в виде нескольких коротких тандемных повторов ДНК. [3] Теломеры и DSB имеют различную функциональность, так что теломеры предотвращают процессы репарации ДНК. [3] Во время репликации теломерной ДНК в фазах S/G2 и G1 клеточного цикла 3' отстающая цепь оставляет короткий выступ, называемый G-хвостом. [4] [3] Теломерная ДНК заканчивается на конце 3' G, поскольку 3' отстающая цепь простирается без своей комплементарной 5' C ведущей цепи. G-хвост обеспечивает основную функцию теломерной ДНК, так что G-хвосты контролируют гомеостаз теломер. [4]

Теломеры в фазе G1

В фазе G1 клеточного цикла ассоциированные с теломерой белки RIF1 , RIF2 и RAP2 связываются с теломерной ДНК и предотвращают доступ к комплексу MRX . [4] [3] Такой процесс в S. Cerevisiae, например, отрицательно регулируется этой активностью. Комплекс MRX и комплекс Ku одновременно и независимо связываются с концами DSB. [3] [16] В присутствии ассоциированных с теломерой белков MRX не связывается с концами DSB, в то время как комплекс Ku связывается с концами DSB. [3] Связанный комплекс Ku с концами DSB защищает теломеры от нуклеолитической деградации exo1 . [3] Это приводит к ингибированию удлинения теломеразы на концах DSB и предотвращает дальнейшее действие теломер в фазе G1 клеточного цикла. [3] [4]

Теломеры в поздней фазе S/G2

В поздней фазе S/G2 клеточного цикла ассоциированные с теломерой белки RIF1, RIF2 и RAP2 проявляют свой ингибирующий эффект, связываясь с теломерной ДНК. [3] В поздней фазе S/G2 протеинкиназа CDK1 (циклинзависимая) способствует теломерной резекции. [4] [3] Этот контроль осуществляется циклинзависимыми киназами , которые фосфорилируют части механизма резекции. [15] Этот процесс смягчает ингибирующий эффект ассоциированных с теломерой белков и позволяет Cdc13 (связывающему белку как на отстающей, так и на ведущей цепи) покрывать теломерную ДНК. [15] Связывание cdc13 с ДНК подавляет контрольную точку повреждения ДНК и позволяет резекции происходить, одновременно допуская удлинение теломеразы на концах DSB. [3]

Резекция митотических DSB

Одним из важных регуляторных контролей в митотических клетках является решение, какой конкретный путь репарации DSB выбрать. После обнаружения DSB высококонсервативные комплексы привлекаются концами ДНК. [2] Если клетка находится в фазе G1 клеточного цикла, комплекс Ku предотвращает резекцию и запускает факторы пути NHEJ. [3] DSB в пути NHEJ лигируются, шаг в пути NHEJ, который требует активности ДНК-лигазы гетеродимера Dnl4-Lif1/XRCC4 и белка Nej1/XLF. [3] Этот процесс приводит к подверженному ошибкам повторному лигированию концов DSB в фазе G1 клеточного цикла. [3]

Если клетки находятся в фазе S/G2, митотические DSB контролируются активностью Cdk1 и включают фосфорилирование Sae2 Ser267. [4] [3] После того, как фосфорилирование происходит с помощью Cdk1, комплекс MRX связывается с концами dsDNA и генерирует короткую ssDNA, которая растягивается в направлении 5'. [4] [3] 5' ssDNA продолжает резекцию с помощью фермента геликазы , фермента Sgs1 и нуклеаз Exo1 и Dna2. [17] Участие Sae2 Sar267 в процессинге DSB высоко консервативно у всех эукариот, так что Sae2 вместе с комплексом MRX участвуют в двух основных функциях: одноцепочечный отжиг и процессинг шпилечных структур ДНК. [4] Как и все одноцепочечные ДНК в ядре, резецируемая область сначала покрывается комплексом репликационного белка A (RPA), [18] [15], но затем RPA заменяется на RAD51 , образуя нуклеопротеиновую нить, которая может участвовать в поиске соответствующей области, позволяя HR иметь место. [15] 3' одноцепочечная ДНК, покрытая RPA, способствует привлечению Mec1. Mec1 далее фосфорилирует Sae2 вместе с cdk1. Результирующее фосфорилирование Sae2 посредством Mec1 помогает усилить эффект резекции, и это, в свою очередь, приводит к активации контрольной точки повреждения ДНК. [4] [3]

Регуляторы

Путь выбора в репарации ДНК строго регулируется, чтобы гарантировать, что клетки в фазе S/G2 и G1 используют соответствующий механизм. Регуляторы как в пути NHEJ, так и в пути HR опосредуют соответствующий путь ответа на репарацию ДНК. [3] Кроме того, недавние исследования репарации ДНК показывают, что регуляция резекции конца ДНК регулируется активностью cdk1 в цикле репликации клеток. [3] [19]

Путь NHEJ

Резекция конца ДНК является ключом к определению правильного пути в NHEJ. Для того чтобы путь NHEJ произошел, положительные регуляторы, такие как комплекс Ku и MRX, опосредуют набор других белков, связанных с NHEJ, таких как Tel1, Lif1, Dnl4 и Nej1. [3] Поскольку NHEJ не зависит от резекции конца, NHEJ может произойти только в фазе G1 клеточного цикла. [3] [10] Как белки, связанные с Ku, так и белки, связанные с NHEJ, предотвращают начало резекции.

Резекция гарантирует, что DSB не будут восстановлены с помощью NHEJ (который соединяет разорванные концы ДНК вместе, не гарантируя их соответствие), а скорее методами, основанными на гомологии (соответствие последовательностей ДНК). Циклин-зависимая протеинкиназа, такая как cdk1 в дрожжах, служит отрицательным регулятором пути NHEJ. [3] Любая активность, связанная с наличием циклин-зависимых протеинкиназ, ингибирует путь NHEJ [3]

Положительные регуляторы

Присутствие одноцепочечной ДНК позволяет разорванному концу ДНК точно выстроиться в соответствии с соответствующей последовательностью, чтобы его можно было точно восстановить. [1] Для того, чтобы путь HR произошел в фазах S и G2 клеточного цикла, требуется наличие сестринской хроматиды. [3] [4] 5′–3′ резекция автоматически связывает DSB с путем HR. [2] Циклинзависимая протеинкиназа, такая как cdk1, служит положительным регулятором пути HR. [4] [3] Этот положительный регулятор способствует 5′–3′ нуклеолитической деградации концов ДНК. Наряду с cdk1, комплекс MRX, циклин B1 и DSB, индуцированные Spo11, служат положительными регуляторами пути HR. [17] [19]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Jimeno S, Mejías-Navarro F, Prados-Carvajal R, Huertas P (2019). «Контроль баланса между путями восстановления разрывов хромосом». Advances in Protein Chemistry and Structural Biology . 115. Elsevier: 95–134. doi : 10.1016/bs.apcsb.2018.10.004. ISBN 9780128155592. PMID  30798939. S2CID  73459973.
  2. ^ abcd Liu T, Huang J (июнь 2016 г.). «Резекция концов ДНК: факты и механизмы». Геномика, протеомика и биоинформатика . 14 (3): 126–130. doi :10.1016/j.gpb.2016.05.002. PMC 4936662. PMID 27240470  . 
  3. ^ abcdefghijklmnopqrstu vwxyz aa ab ac ad ae af ag ah ai aj Longhese MP, Bonetti D, Manfrini N, Clerici M (сентябрь 2010 г.). «Механизмы и регуляция резекции концов ДНК». Журнал EMBO . 29 (17): 2864–2874. doi :10.1038/emboj.2010.165. PMC 2944052. PMID  20647996 . 
  4. ^ abcdefghijklmnopq Mimitou EP, Symington LS (сентябрь 2009 г.). «Резекция конца ДНК: множество нуклеаз облегчают работу». DNA Repair . 8 (9): 983–995. doi :10.1016/j.dnarep.2009.04.017. PMC 2760233. PMID 19473888  . 
  5. ^ Bjorksten J, Acharya PV, Ashman S, Wetlaufer DB (июль 1971 г.). «Герогенные фракции в тритиевой крысе». Журнал Американского гериатрического общества . 19 (7): 561–574. doi :10.1111/j.1532-5415.1971.tb02577.x. PMID  5106728. S2CID  33154242.
  6. ^ Ачарья П.В. (1972). «Выделение и частичная характеристика коррелирующих с возрастом олиго-дезоксирибо-рибонуклеотидов с ковалентно связанными аспартил-глутамил полипептидами». Медицинский журнал Джона Хопкинса. Приложение (1): 254–260. PMID  5055816.
  7. ^ ab Huertas P (январь 2010 г.). «Резекция ДНК у эукариот: как исправить разрыв». Nature Structural & Molecular Biology . 17 (1): 11–16. doi :10.1038/nsmb.1710. PMC 2850169 . PMID  20051983. 
  8. ^ Liang L, Deng L, Chen Y, Li GC, Shao C, Tischfield JA (сентябрь 2005 г.). «Модуляция соединения концов ДНК ядерными белками». Журнал биологической химии . 280 (36): 31442–31449. doi : 10.1074/jbc.M503776200 . PMID  16012167.
  9. ^ Watson JD, Baker TA, Bell SP, Gann A, Levine M, Losick R, ред. (2004). Молекулярная биология гена (5-е изд.). Pearson Benjamin Cummings; CSHL Press. Гл. 9, 10. OCLC  936762772.
  10. ^ abcd Daley JM, Laan RL, Suresh A, Wilson TE (август 2005 г.). «Зависимость ДНК от действия полимеразы семейства pol X при негомологичном соединении концов». Журнал биологической химии . 280 (32): 29030–29037. doi : 10.1074/jbc.M505277200 . PMID  15964833.
  11. ^ Ray Chaudhuri A, Nussenzweig A (октябрь 2017 г.). «Многогранные роли PARP1 в восстановлении ДНК и ремоделировании хроматина». Nature Reviews. Molecular Cell Biology . 18 (10): 610–621. doi :10.1038/nrm.2017.53. PMC 6591728. PMID  28676700 . 
  12. ^ Song J, Keppler BD, Wise RR, Bent AF (май 2015 г.). "PARP2 — преобладающая поли(АДФ-рибоза) полимераза при повреждении ДНК Arabidopsis и иммунных реакциях". PLOS Genetics . 11 (5): e1005200. doi : 10.1371/journal.pgen.1005200 . PMC 4423837. PMID  25950582 . 
  13. ^ Haince JF, McDonald D, Rodrigue A, Déry U, Masson JY, Hendzel MJ, Poirier GG (январь 2008 г.). «PARP1-зависимая кинетика рекрутирования белков MRE11 и NBS1 в множественные сайты повреждения ДНК». Журнал биологической химии . 283 (2): 1197–1208. doi : 10.1074/jbc.M706734200 . PMID  18025084.
  14. ^ Uhrhammer N, Bay JO, Gatti RA (октябрь 2002 г.). "NBN (синдром разрыва Неймегена 1)". Атлас генетики и цитогенетики в онкологии и гематологии - NBS1 . Архивировано из оригинала 29-09-2006 . Получено 12-02-2008 .
  15. ^ abcdef Casari E, Rinaldi C, Marsella A, Gnugnoli M, Colombo CV, Bonetti D, Longhese MP (2019). «Обработка двухцепочечных разрывов ДНК комплексом MRX в контексте хроматина». Frontiers in Molecular Biosciences . 6 : 43. doi : 10.3389 /fmolb.2019.00043 . PMC 6567933. PMID  31231660. 
  16. ^ abcd Pinto C, Anand R, Cejka P (2018). "Методы изучения резекции концов ДНК II: биохимические анализы восстановления". Механизмы рекомбинации ДНК и перестроек генома: методы изучения гомологичной рекомбинации . Методы в энзимологии. Т. 600. С. 67–106. doi :10.1016/bs.mie.2017.11.009. ISBN 9780128144299. PMID  29458776.
  17. ^ ab Xue C, Wang W, Crickard JB, Moevus CJ, Kwon Y, Sung P, Greene EC (март 2019 г.). «Регуляторный контроль Sgs1 и Dna2 во время резекции концов эукариотической ДНК». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 116 (13): 6091–6100. Bibcode : 2019PNAS..116.6091X. doi : 10.1073/pnas.1819276116 . PMC 6442620. PMID  30850524 . 
  18. ^ Chen C, ред. (2013). Новые направления исследований в области восстановления ДНК . Хорватия: InTech. ISBN 978-953-51-1114-6. OCLC  957280914.
  19. ^ ab Poon RY (2016-01-01). «Митотическая катастрофа». В Bradshaw RA, Stahl PD (ред.). Энциклопедия клеточной биологии . Waltham: Academic Press. стр. 399–403. ISBN 978-0-12-394796-3.
Получено с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=DNA_end_resection&oldid=1186943265"