резекция конца ДНК
Резекция конца ДНК , также называемая 5'-3'-деградацией , представляет собой биохимический процесс, при котором тупой конец участка двухцепочечной ДНК (дцДНК) модифицируется путем отрезания некоторых нуклеотидов от 5'-конца с образованием 3'-одинарного конца. -цепочечная последовательность. [ 1 ] [ 2 ] Наличие участка одноцепочечной ДНК (оцДНК) позволяет разорванному концу ДНК точно совпадать с соответствующей последовательностью, чтобы его можно было точно восстановить. [ 1 ]

Двухцепочечные разрывы (DSB) могут возникать на любой фазе клеточного цикла, вызывая резекцию концов ДНК и репарацию, но они также являются нормальными промежуточными продуктами в митозной рекомбинации. [ 3 ] Более того, естественные концы линейных хромосом напоминают DSB, и хотя разрывы ДНК могут привести к повреждению целостности геномной ДНК, естественные концы упакованы в сложные специализированные защитные пакеты ДНК, называемые теломерами , которые предотвращают восстановление ДНК. [ 3 ] [ 4 ] Теломеры и митотические DSB имеют разные функциональные возможности, но оба подвергаются одному и тому же процессу деградации 5’–3’.
Фон
[ редактировать ]Двухцепочечный разрыв — это своего рода повреждение ДНК, при котором обе цепи двойной спирали разрываются. DSB возникают только во время репликации ДНК клеточного цикла . Более того, DSB могут привести к перестройкам и нестабильности генома. [ 3 ] Случаи, когда две комплементарные цепи соединяются в точке DSB, могут оказаться катастрофическими, например, клетка не сможет завершить митоз при следующем делении и либо умрет, либо, в редких случаях, подвергнется хромосомной потере, дупликации. и даже мутации . [ 5 ] [ 6 ] Существуют три механизма восстановления DSB: негомологическое соединение концов (NHEJ), микрогомологическое соединение концов (MMEJ) и гомологичная рекомбинация HR. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] Из них только NHEJ не использует резекцию концов ДНК. [ 2 ]
Механизм
[ редактировать ]Точная репарация DSB имеет важное значение для поддержания целостности генома. Из трех механизмов, существующих для восстановления DSB, доминирующими путями являются механизмы восстановления NHEJ и HR. [ 4 ] Несколько высококонсервативных белков запускают контрольную точку повреждения ДНК для обнаружения DSB, вызывающих репарацию по путям репарации NHEJ или HR. [ 3 ] Механизм NHEJ функционирует при лигировании двух разных DSB с высокой точностью, тогда как HR полагается на гомологичный шаблон для восстановления концов DSB. [ 3 ] [ 4 ]
Резекция концов ДНК в пути HR происходит только на двух конкретных фазах: S и G2 . [ 4 ] [ 3 ] Поскольку для активации пути HR требуются сестринские хроматиды , это событие происходит только в фазах G2 и S клеточного цикла во время репликации. [ 3 ] [ 4 ] DSB, у которых еще не началась резекция концов ДНК, могут быть лигированы по пути NHEJ, но резекция нескольких нуклеотидов ингибирует путь NHEJ и вызывает восстановление ДНК по пути HR. [ 10 ] Путь NHEJ участвует на протяжении всего клеточного цикла, но он имеет решающее значение для восстановления ДНК во время фазы G1 . [ 3 ] [ 10 ] В фазе G1 нет сестринских хроматид для восстановления DSB по пути HR, что делает путь NHEJ критическим механизмом восстановления. [ 3 ] [ 10 ]
Прежде чем приступить к резекции, необходимо обнаружить разрыв. У животных это обнаружение осуществляется с помощью PARP1 ; [ 11 ] аналогичные системы существуют и у других эукариот : у растений PARP2 . эту роль, по-видимому, играет [ 12 ] Затем связывание PARP 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 ).
Прежде чем можно будет начать резекцию, белок, взаимодействующий с CtBP1 (CtIP), должен связаться с комплексом MRN, чтобы могла начаться первая фаза резекции, а именно резекция короткого конца. [ 7 ] [ 15 ] [ 16 ] После связывания фосфорилированного CtIP субъединица Mre11 способна эндонуклеолитически разрезать 5'-концевую цепь , вероятно, примерно на расстоянии около 300 пар оснований от конца. [ 15 ] [ 16 ] а затем действует как 3'→5'- экзонуклеаза , удаляя конец 5'-цепи. [ 16 ]
Резекция теломер DSB
[ редактировать ]Линейные хромосомы упакованы в сложные специализированные защитные пакеты ДНК, называемые теломерами . [ 3 ] [ 4 ] Структура теломер высококонсервативна и организована в виде множества коротких тандемных повторов ДНК. [ 3 ] Теломеры и DSB имеют разные функции, например, теломеры предотвращают восстановление ДНК. [ 3 ] Во время репликации теломерной ДНК в фазах S/G2 и G1 клеточного цикла отстающая 3'-цепь оставляет короткий выступ, называемый G-хвостом. [ 4 ] [ 3 ] Теломерная ДНК заканчивается на 3'G-конце, поскольку отстающая 3'-цепь простирается без комплементарной ей 5'-C-ведущей цепи. G-хвост выполняет основную функцию теломерной ДНК, так что G-хвосты контролируют гомеостаз теломер. [ 4 ]
Теломеры в фазе G1
[ редактировать ]В фазе G1 клеточного цикла ассоциированные с теломерами белки RIF1 , RIF2 и RAP2 связываются с теломерной ДНК и предотвращают доступ к комплексу MRX . [ 4 ] [ 3 ] Такой процесс, например, у S. cerevisiae негативно регулируется этой активностью. Комплекс MRX и комплекс Ku связываются одновременно и независимо с концами DSB. [ 3 ] [ 16 ] В присутствии белков, связанных с теломерами, MRX не может связываться с концами DSB, тогда как комплекс Ku связывается с концами DSB. [ 3 ] Связанный комплекс Ku с концами DSB защищает теломеры от нуклеолитической деградации с помощью 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
[ редактировать ]В поздней фазе S/G2 клеточного цикла ассоциированные с теломерами белки RIF1, RIF2 и RAP2 проявляют ингибирующий эффект, связываясь с теломерной ДНК. [ 3 ] В поздней фазе S/G2 протеинкиназа CDK1 (циклин-зависимая) способствует резекции теломер. [ 4 ] [ 3 ] Этот контроль осуществляется циклин-зависимыми киназами , которые фосфорилируют части резекционного аппарата. [ 15 ] Этот процесс смягчает ингибирующее действие белков, связанных с теломерами, 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 выполнить резекцию, одновременно допуская удлинение теломеразы на концах DSB. [ 3 ]
Резекция митотических DSB
[ редактировать ]Одним из важных регуляторных механизмов контроля в митотических клетках является принятие решения о том, какой конкретный путь репарации DSB выбрать. Как только DSB обнаружен, высококонсервативные комплексы рекрутируются 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, это этап пути NHEJ, который требует активности ДНК-лигазы Dnl4-Lif1/XRCC4 гетеродимера 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 посредством активности Cdk1 и включают фосфорилирование Sae2 Ser267. [ 4 ] [ 3 ] После фосфорилирования с помощью Cdk1 комплекс MRX связывается с концами дцДНК и генерирует короткую оцДНК, которая тянется в 5'-направлении. [ 4 ] [ 3 ] 5'-оцДНК продолжает резекцию под действием фермента хеликазы , фермента Sgs1 и нуклеаз Exo1 и Dna2. [ 17 ] Участие Sae2 Sar267 в процессинге DSB высоко консервативно у эукариот, так что Sae2 вместе с комплексом MRX участвуют в двух основных функциях: однонитевом отжиге и процессинге шпилекальных структур ДНК. [ 4 ] Как и все оцДНК в ядре, резецированная область сначала покрывается комплексом репликационного белка А (RPA). [ 18 ] [ 15 ] но затем RPA заменяется на RAD51 с образованием нуклеопротеиновой нити, которая может принимать участие в поиске подходящей области, позволяя иметь место HR. [ 15 ] 3'-оцДНК, покрытая RPA, способствует привлечению Mec1. Mec1 дополнительно фосфорилирует Sae2 вместе с cdk1. Возникающее в результате фосфорилирование Sae2 с помощью Mec1 помогает усилить эффект резекции, а это, в свою очередь, приводит к активации контрольной точки повреждения ДНК. [ 4 ] [ 3 ]
Регуляторы
[ редактировать ]Путь выбора репарации ДНК строго регулируется, чтобы гарантировать, что клетки в фазах S/G2 и G1 используют соответствующий механизм. Регуляторы путей NHEJ и HR опосредуют соответствующий путь реакции восстановления ДНК. [ 3 ] Более того, недавние исследования репарации ДНК показывают, что регуляция резекции концов ДНК регулируется активностью cdk1 в цикле репликации клеток. [ 3 ] [ 19 ]
Путь NHEJ
[ редактировать ]Резекция концов ДНК является ключом к определению правильного пути NHEJ. Для реализации пути NHEJ положительные регуляторы, такие как комплекс Ku и MRX, опосредуют рекрутирование других NHEJ-ассоциированных белков, таких как Tel1, Lif1, Dnl4 и Nej1. [ 3 ] Поскольку NHEJ не требует резекции конца, NHEJ может возникнуть только в фазе G1 клеточного цикла. [ 3 ] [ 10 ] Как Ku, так и NHEJ-ассоциированные белки предотвращают начало резекции.
Резекция гарантирует, что DSB восстанавливаются не с помощью NHEJ (который соединяет разорванные концы ДНК вместе, не гарантируя их совпадение), а скорее с помощью методов, основанных на гомологии (совпадении последовательностей ДНК). Циклин-зависимая протеинкиназа, такая как cdk1, у дрожжей служит негативным регулятором пути NHEJ. [ 3 ] Любая активность, связанная с наличием циклинзависимых протеинкиназ, ингибирует путь NHEJ. [ 3 ]
Позитивные регуляторы
[ редактировать ]Наличие оцДНК позволяет разорванному концу ДНК точно совпадать с соответствующей последовательностью, что позволяет его точно восстановить. [ 1 ] Для того чтобы путь HR возникал в фазах S и G2 клеточного цикла, необходимо наличие сестринской хроматиды. [ 3 ] [ 4 ] Резекция 5’–3’ автоматически связывает DSB с путем HR. [ 2 ] Циклин-зависимая 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 ]
См. также
[ редактировать ]- Экзонуклеаза
- Двухцепочечные разрывы
- Тупые концы
- негомологичное соединение концов
- Нуклеотид
- Клеточный цикл
- Теломера
- НХЭЖ
- Гомологичная рекомбинация
- Соединение концов, опосредованное микрогомологией
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Химено С., Мехиас-Наварро Ф., Прадос-Карвахаль Р., Уэртас П. (2019). «Контроль баланса между путями восстановления разрывов хромосом». Достижения в области химии белков и структурной биологии . 115 . Эльзевир: 95–134. дои : 10.1016/bs.apcsb.2018.10.004 . ISBN 9780128155592 . ПМИД 30798939 . S2CID 73459973 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Лю Т, Хуан Дж (июнь 2016 г.). «Резекция концов ДНК: факты и механизмы» . Геномика, протеомика и биоинформатика . 14 (3): 126–130. дои : 10.1016/j.gpb.2016.05.002 . ПМЦ 4936662 . ПМИД 27240470 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р с т в v В х и С аа аб и объявление но из в ах есть также Лонгезе, член парламента, Бонетти Д., Манфрини Н., Клеричи М. (сентябрь 2010 г.). «Механизмы и регуляция резекции концов ДНК» . Журнал ЭМБО . 29 (17): 2864–2874. дои : 10.1038/emboj.2010.165 . ПМЦ 2944052 . ПМИД 20647996 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д Мимиту Э.П., Симингтон Л.С. (сентябрь 2009 г.). «Резекция концов ДНК: многие нуклеазы облегчают работу» . Восстановление ДНК . 8 (9): 983–995. дои : 10.1016/j.dnarep.2009.04.017 . ПМК 2760233 . ПМИД 19473888 .
- ^ Бьоркстен Дж., Ачарья П.В., Ашман С., Ветлауфер Д.Б. (июль 1971 г.). «Герогенные фракции у тритированной крысы». Журнал Американского гериатрического общества . 19 (7): 561–574. дои : 10.1111/j.1532-5415.1971.tb02577.x . ПМИД 5106728 . S2CID 33154242 .
- ^ Ачарья П.В. (1972). «Выделение и частичная характеристика коррелирующих с возрастом олиго-дезоксирибо-рибонуклеотидов с ковалентно связанными аспартил-глутамил-полипептидами» . Медицинский журнал Джонса Хопкинса. Приложение (1): 254–260. ПМИД 5055816 .
- ^ Перейти обратно: а б Уэртас П. (январь 2010 г.). «Резекция ДНК у эукариот: решаем, как исправить разрыв» . Структурная и молекулярная биология природы . 17 (1): 11–16. дои : 10.1038/nsmb.1710 . ПМК 2850169 . ПМИД 20051983 .
- ^ Лян Л., Дэн Л., Чен Ю., Ли Г.К., Шао С., Тишфилд Дж.А. (сентябрь 2005 г.). «Модуляция соединения концов ДНК ядерными белками» . Журнал биологической химии . 280 (36): 31442–31449. дои : 10.1074/jbc.M503776200 . ПМИД 16012167 .
- ^ Уотсон Дж.Д., Бейкер Т.А., Белл С.П., Ганн А., Левин М., Лосик Р., ред. (2004). Молекулярная биология гена (5-е изд.). Пирсон Бенджамин Каммингс; ЦШЛ Пресс. Ч. 9, 10. OCLC 936762772 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Дейли Дж. М., Лаан Р. Л., Суреш А., Уилсон Т. Е. (август 2005 г.). «Совместная зависимость ДНК действия полимеразы семейства pol X при негомологичном соединении концов» . Журнал биологической химии . 280 (32): 29030–29037. дои : 10.1074/jbc.M505277200 . ПМИД 15964833 .
- ^ Рэй Чаудхури А, Нуссенцвейг А (октябрь 2017 г.). «Многогранная роль PARP1 в репарации ДНК и ремоделировании хроматина» . Обзоры природы. Молекулярно-клеточная биология . 18 (10): 610–621. дои : 10.1038/номер.2017.53 . ПМК 6591728 . ПМИД 28676700 .
- ^ Сонг Дж, Кепплер Б.Д., Уайз Р.Р., Бент А.Ф. (май 2015 г.). «PARP2 является преобладающей поли(АДФ-рибозо)-полимеразой при повреждении ДНК арабидопсиса и иммунных реакциях» . ПЛОС Генетика . 11 (5): е1005200. дои : 10.1371/journal.pgen.1005200 . ПМЦ 4423837 . ПМИД 25950582 .
- ^ Хейнс Дж. Ф., Макдональд Д., Родриг А., Дери У., Массон Дж. Ю., Хендзель М. Дж., Пуарье Г. Г. (январь 2008 г.). «PARP1-зависимая кинетика привлечения белков MRE11 и NBS1 к множественным сайтам повреждения ДНК» . Журнал биологической химии . 283 (2): 1197–1208. дои : 10.1074/jbc.M706734200 . ПМИД 18025084 .
- ^ Урхаммер Н., Бэй Дж.О., Гатти Р.А. (октябрь 2002 г.). «NBN (синдром разрушения Неймегена 1)» . Атлас генетики и цитогенетики в онкологии и гематологии - NBS1 . Архивировано из оригинала 29 сентября 2006 г. Проверено 12 февраля 2008 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Казари Э., Ринальди С., Марселла А., Гнуньоли М., Коломбо К.В., Бонетти Д., Лонгезе, член парламента (2019). «Обработка двухцепочечных разрывов ДНК комплексом MRX в контексте хроматина» . Границы молекулярной биологии . 6:43 . doi : 10.3389/fmolb.2019.00043 . ПМК 6567933 . ПМИД 31231660 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Пинто С., Ананд Р., Чейка П. (2018). «Методы исследования резекции концов ДНК II: анализы биохимического восстановления». Механизмы рекомбинации ДНК и перестройки генома: методы изучения гомологичной рекомбинации . Методы энзимологии. Том. 600. стр. 67–106. дои : 10.1016/bs.mie.2017.11.009 . ISBN 9780128144299 . ПМИД 29458776 .
- ^ Перейти обратно: а б Сюэ С., Ван В., Крикард Дж.Б., Моевус С.Дж., Квон Ю., Сун П., Грин ЕС (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. Бибкод : 2019PNAS..116.6091X . дои : 10.1073/pnas.1819276116 . ПМК 6442620 . ПМИД 30850524 .
- ^ Чен С., изд. (2013). Новые направления исследований в области репарации ДНК . Хорватия: ИнТех. ISBN 978-953-51-1114-6 . OCLC 957280914 .
- ^ Перейти обратно: а б Пун Р.Ю. (01 января 2016 г.). «Митотическая катастрофа». В Брэдшоу Р.А., Шталь П.Д. (ред.). Энциклопедия клеточной биологии . Уолтем: Академическая пресса. стр. 399–403. ISBN 978-0-12-394796-3 .