Отжиг нити в зависимости от синтеза
Синтез-зависимый отжиг цепи ( SDSA ) является основным механизмом гомологически-направленной репарации двухцепочечных разрывов ДНК (DSB). Хотя многие функции SDSA были впервые предложены в 1976 году, [1] модель двойного перекрестка Холлидея, предложенная в 1983 году. [2] было одобрено многими исследователями. В 1994 году исследования репарации двухцепочечных разрывов у дрозофилы оказались несовместимыми с моделью двойного соединения Холлидея, что побудило исследователей предложить модель, которую они назвали синтез-зависимым отжигом цепей. [3] Последующие исследования мейотической рекомбинации у S. cerevisiae показали, что некроссинговерные продукты появляются раньше, чем двойные соединения Холлидея или продукты кроссовера, что бросает вызов предыдущему представлению о том, что как кроссоверные, так и некроссоверные продукты производятся двойными соединениями Холлидея, и привело авторов к предлагают генерировать непересекающиеся продукты посредством SDSA. [4]
На прилагаемом рисунке первый этап, обозначенный как «резекция 5'-3'», показывает образование одиночной цепи ДНК с 3'-концом, которая на следующем этапе вторгается в гомологичный дуплекс ДНК. Сообщается, что РНК-полимераза III катализирует образование временного гибрида РНК-ДНК при двухцепочечных разрывах в качестве важного промежуточного этапа восстановления разрывов путем гомологичной рекомбинации. [5] Формирование гибрида РНК-ДНК защитит вторгшуюся одноцепочечную ДНК от деградации. После образования временного гибридного промежуточного продукта РНК-ДНК цепь РНК заменяется белком Rad51, который катализирует последующую стадию инвазии цепи.
В модели SDSA репарация двухцепочечных разрывов происходит без образования двойного соединения Холлидея, так что два процесса гомологичной рекомбинации идентичны сразу после образования D-петли. [6] У дрожжей D-петля образуется путем инвазии цепи с помощью белков Rad51 и Rad52 . [7] а затем на него воздействует ДНК- хеликаза Srs2, чтобы предотвратить образование двойного соединения Холлидея для реализации пути SDSA. [8] Таким образом, вторгающаяся 3'-цепь удлиняется вдоль гомологичного ДНК-дуплекса реципиента с помощью ДНК-полимеразы в направлении от 5' к 3', так что D-петля физически перемещается - процесс, называемый синтезом ДНК с пузырьковой миграцией. [9] Образующееся в результате единственное соединение Холлидея затем скользит вниз по дуплексу ДНК в том же направлении в процессе, называемом миграцией ветвей , вытесняя удлиненную цепь из цепи матрицы. Эта смещенная цепь поднимается вверх, образуя 3'-выступ в исходном дуплексе двухцепочечного разрыва, который затем может отжигаться с противоположным концом исходного разрыва посредством комплементарной пары оснований. Таким образом, синтез ДНК заполняет пробелы, оставшиеся после отжига, и удлиняет оба конца все еще присутствующего одноцепочечного разрыва ДНК, лигируя все оставшиеся пробелы с образованием рекомбинантной некроссинговерной ДНК. [10]
SDSA уникален тем, что транслокация D-петли приводит к консервативной, а не полуконсервативной репликации , поскольку первая удлиненная цепь вытесняется из своей матричной цепи , оставляя гомологичный дуплекс нетронутым. Следовательно, хотя SDSA производит продукты без кроссинговера, поскольку фланкирующие маркеры гетеродуплексной ДНК не заменяются, может произойти конверсия генов , при которой происходит нереципрокный генетический перенос между двумя гомологичными последовательностями. [11]
Ферменты, участвующие в SDSA во время мейоза
[ редактировать ]Сборка нуклеопротеиновой нити, состоящей из одноцепочечной ДНК (оцДНК) и гомолога RecA , Rad51 , является ключевым этапом, необходимым для гомологии поиска во время рекомбинации . У почкующихся дрожжей Saccharomyces cerevisiae транслоказа Srs2 разрушает нити Rad51 во время мейоза . [12] Непосредственно взаимодействуя с Rad51, Srs2 вытесняет Rad51 из нуклеопротеиновых нитей, тем самым ингибируя Rad51-зависимое образование совместных молекул и структур D-петли . Эта разрушающая активность специфична для Rad51, поскольку Srs2 не разрушает DMC1 (специфичный для мейоза гомолог Rad51), Rad52 (медиатор Rad 51) или белок репликации A ( RPA , белок, связывающий одноцепочечную ДНК). Srs2 способствует неперекрестному пути SDSA, по-видимому, регулируя связывание RAD51 во время обмена цепей. [13]
Расхождение между SDSA и соединением двойного Холлидея происходит, когда D-петля разбирается, позволяя возникающей цепи отжигаться с другим резецированным концом DSB (в модели двойного соединения Холлидея цепь, смещенная расширением D-петли, отжигается с другим концом DSB в режиме «Захват 2-го конца»). Исследования на Drosophila melanogaster выявили геликазу синдрома Блума (Blm) как фермент, способствующий разборке D-петли. [14] [15] [16] Сходным образом, S. cerevisiae Sgs1, ортолог BLM, по-видимому, является центральным регулятором большинства событий рекомбинации , которые происходят во время S. cerevisiae мейоза . [17] Sgs1(BLM) может разбирать структуры D-петли, аналогичные промежуточным продуктам инвазии ранней цепи, и, таким образом, способствовать образованию NCO с помощью SDSA. [17] Хеликаза Sgs1 образует консервативный комплекс с гетеродимером топоизомеразы III ( Top3 ) -RMI1 (который катализирует одноцепочечный пассаж ДНК). Этот комплекс, названный STR (по трем компонентам), способствует раннему образованию рекомбинантов NCO с помощью SDSA во время мейоза. [18]
Согласно обзору Uringa et al. [19] Предполагается, что хеликаза RTEL1 регулирует рекомбинацию во время мейоза у червя Caenorhabditis elegans . RTEL1 является ключевым белком в репарации DSB. Это нарушает D-петли и, как полагают, способствует достижению результатов NCO через SDSA.
Количество DSB, создаваемых во время мейоза, может существенно превышать количество финальных событий CO. У растения Arabidopsis thaliana только около 4% DSB восстанавливаются за счет рекомбинации CO. [20] предполагая, что большинство DSB восстанавливаются путем рекомбинации NCO. Данные, основанные на тетрадном анализе нескольких видов грибов, показывают, что лишь меньшинство (в среднем около 34%) событий рекомбинации во время мейоза являются CO (см. Whitehouse, [21] В таблицах 19 и 38 приведены сводные данные по S. cerevisiae , Podospora anserina , Sordaria fimicola и Sordaria brevicollis ). У плодовой мухи D. melanogaster во время мейоза у самок наблюдается соотношение NCO к CO как минимум 3:1. [22] Эти наблюдения показывают, что большинство событий рекомбинации во время мейоза являются NCO, и позволяют предположить, что SDSA является основным путем рекомбинации во время мейоза.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Резник М.А. (июнь 1976 г.). «Восстановление двухцепочечных разрывов ДНК; модель рекомбинации». Журнал теоретической биологии . 59 (1): 97–106. Бибкод : 1976JThBi..59...97R . дои : 10.1016/s0022-5193(76)80025-2 . ПМИД 940351 .
- ^ Шостак Дж.В., Орр-Уивер Т.Л., Ротштейн Р., Шталь Ф.В. (май 1983 г.). «Модель репарации двухцепочечного разрыва для рекомбинации». Клетка . 33 (1): 25–35. дои : 10.1016/0092-8674(83)90331-8 . ПМИД 6380756 . S2CID 39590123 .
- ^ Нассиф Н., Пенни Дж., Пал С., Энгельс В.Р., Глур ГБ (март 1994 г.). «Эффективное копирование негомологичных последовательностей из эктопических участков посредством репарации разрыва, индуцированной P-элементом» . Молекулярная и клеточная биология . 14 (3): 1613–25. дои : 10.1128/mcb.14.3.1613 . ПМК 358520 . ПМИД 8114699 .
- ^ Аллерс Т., Лихтен М. (июль 2001 г.). «Дифференциальное время и контроль некроссоверной и кроссоверной рекомбинации во время мейоза» . Клетка . 106 (1): 47–57. дои : 10.1016/s0092-8674(01)00416-0 . ПМИД 11461701 .
- ^ Лю С., Хуа И., Ван Дж., Ли Л., Юань Дж., Чжан Б., Ван З., Цзи Дж., Конг Д. РНК-полимераза III необходима для восстановления двухцепочечных разрывов ДНК путем гомологичной рекомбинации. Клетка. 4 марта 2021 г.;184(5):1314-1329.e10. doi: 10.1016/j.cell.2021.01.048. Epub, 23 февраля 2021 г. PMID: 33626331.
- ^ МакМахилл М.С., Шам К.В., Бишоп Д.К. (ноябрь 2007 г.). «Синтез-зависимый отжиг цепи при мейозе» . ПЛОС Биология . 5 (11): е299. doi : 10.1371/journal.pbio.0050299 . ПМК 2062477 . ПМИД 17988174 .
- ^ Дюпейн П., Ле Бретон С., Фабр Ф., Ганглофф С., Ле Кам Е., Верот Икс (февраль 2008 г.). «Активность хеликазы Srs2 стимулируется нитями Rad51 на дцДНК: влияние на частоту кроссинговера во время митотической рекомбинации» . Молекулярная клетка . 29 (2): 243–54. doi : 10.1016/j.molcel.2007.11.033 . ПМИД 18243118 .
- ^ Миура Т., Ямана Ю., Усуи Т., Огава Х.И., Ямамото М.Т., Кусано К. (май 2012 г.). «Гомологичная рекомбинация посредством зависимого от синтеза отжига цепей в дрожжах требует ДНК-хеликаз Irc20 и Srs2» . Генетика . 191 (1): 65–78. дои : 10.1534/genetics.112.139105 . ПМК 3338270 . ПМИД 22367032 .
- ^ Формоза Т., Альбертс Б.М. (декабрь 1986 г.). «Синтез ДНК, зависящий от генетической рекомбинации: характеристика реакции, катализируемой очищенными белками бактериофага Т4». Клетка . 47 (5): 793–806. дои : 10.1016/0092-8674(86)90522-2 . ПМИД 3022939 . S2CID 37903641 .
- ^ Хелледей Т., Ло Джей, ван Гент, округ Колумбия, Энгельвард Б.П. (июль 2007 г.). «Восстановление двухцепочечных разрывов ДНК: от механистического понимания к лечению рака». Восстановление ДНК . 6 (7): 923–35. дои : 10.1016/j.dnarep.2007.02.006 . ПМИД 17363343 .
- ^ Махер Р.Л., Бранаган А.М., Моррикал С.В. (октябрь 2011 г.). «Координация репликации ДНК и рекомбинационной активности в поддержании стабильности генома» . Журнал клеточной биохимии . 112 (10): 2672–82. дои : 10.1002/jcb.23211 . ПМЦ 3178728 . ПМИД 21647941 .
- ^ Сасанума Х., Фурихата Ю., Синохара М., Синохара А. (август 2013 г.). «Ремоделирование белка обмена цепей ДНК Rad51 с помощью геликазы Srs2» . Генетика . 194 (4): 859–72. дои : 10.1534/genetics.113.150615 . ПМК 3730916 . ПМИД 23770697 .
- ^ Ира Г., Малкова А., Либери Г., Фойани М., Хабер Дж.Э. (ноябрь 2003 г.). «Srs2 и Sgs1-Top3 подавляют кроссинговеры во время репарации двухцепочечных разрывов у дрожжей» . Клетка . 115 (4): 401–11. дои : 10.1016/s0092-8674(03)00886-9 . ПМЦ 4493758 . ПМИД 14622595 .
- ^ Адамс, доктор медицинских наук, Маквей М., Секельски Дж. Дж. (январь 2003 г.). «BLM дрозофилы в восстановлении двухцепочечных разрывов путем синтез-зависимого отжига цепей». Наука . 299 (5604): 265–7. Бибкод : 2003Sci...299..265A . дои : 10.1126/science.1077198 . ПМИД 12522255 . S2CID 39077165 .
- ^ Маквей М., Адамс М., Стаева-Виейра Э., Секельски Дж. Дж. (июнь 2004 г.). «Доказательства множественных циклов инвазии нитей во время восстановления двухцепочечных разрывов у дрозофилы» . Генетика . 167 (2): 699–705. doi : 10.1534/genetics.103.025411 . ПМК 1470890 . ПМИД 15238522 .
- ^ Маквей М., Ларок-младший, Адамс, доктор медицинских наук, Секельски Дж. Дж. (ноябрь 2004 г.). «Образование делеций во время репарации двухцепочечного разрыва у мутантов DmBlm дрозофилы происходит после инвазии цепи» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 101 (44): 15694–9. Бибкод : 2004PNAS..10115694M . дои : 10.1073/pnas.0406157101 . ПМК 524851 . ПМИД 15501916 .
- ^ Jump up to: а б Де Муйт А., Джессоп Л., Колар Э., Сурираджан А., Чен Дж., Даяни Ю., Лихтен М. (апрель 2012 г.). «Ортолог геликазы BLM Sgs1 является центральным регулятором промежуточного метаболизма мейотической рекомбинации» . Молекулярная клетка . 46 (1): 43–53. doi : 10.1016/j.molcel.2012.02.020 . ПМЦ 3328772 . ПМИД 22500736 .
- ^ Каур Х., Де Муйт А., Лихтен М. (февраль 2015 г.). «Одноцепочечная декатеназа ДНК Top3-Rmi1 является неотъемлемой частью образования и разрешения промежуточных продуктов мейотической рекомбинации» . Молекулярная клетка . 57 (4): 583–594. doi : 10.1016/j.molcel.2015.01.020 . ПМЦ 4338413 . ПМИД 25699707 .
- ^ Уринга Э.Дж., Юдс Дж.Л., Лисаинго К., Лансдорп П.М., Бултон С.Дж. (март 2011 г.). «RTEL1: необходимая хеликаза для поддержания теломер и регуляции гомологичной рекомбинации» . Исследования нуклеиновых кислот . 39 (5): 1647–55. дои : 10.1093/нар/gkq1045 . ПМК 3061057 . ПМИД 21097466 .
- ^ Крисмани В., Жирар С., Фрогер Н., Прадилло М., Сантос Дж.Л., Челышева Л. и др. (июнь 2012 г.). «FANCM ограничивает мейотические кроссинговеры». Наука . 336 (6088): 1588–90. Бибкод : 2012Sci...336.1588C . дои : 10.1126/science.1220381 . ПМИД 22723424 . S2CID 14570996 .
- ^ Уайтхаус, HLK (1982). Генетическая рекомбинация: понимание механизмов. Уайли. п. 321 и Таблица 38. ISBN 978-0471102052 .
- ^ Мехротра С., МакКим К.С. (ноябрь 2006 г.). «Временной анализ образования и восстановления двухцепочечных разрывов мейотической ДНК у самок дрозофилы» . ПЛОС Генетика . 2 (11): е200. дои : 10.1371/journal.pgen.0020200 . ПМК 1657055 . ПМИД 17166055 .