Репарация, направленная на гомологию ( HDR ), — это механизм в клетках для восстановления повреждений двухцепочечной ДНК . [1] Наиболее распространенной формой HDR является гомологичная рекомбинация . Механизм HDR может использоваться клеткой только в том случае, если в ядре присутствует гомологичный фрагмент ДНК , в основном в фазах G2 и S клеточного цикла . Другие примеры репарации, направленной на гомологию, включают одноцепочечный отжиг и репликацию, вызванную разрывом. Когда гомологичная ДНК отсутствует, вместо этого происходит другой процесс, называемый негомологичным соединением концов ( NHEJ ). [2] [3]
HDR важен для подавления образования рака . HDR поддерживает геномную стабильность, восстанавливая разорванные нити ДНК; предполагается, что он не содержит ошибок из-за использования шаблона. Когда повреждение двойной нити ДНК восстанавливается с помощью NHEJ, отсутствует подтверждающий шаблон ДНК, поэтому это может привести к образованию новой нити ДНК с потерей информации. Другая нуклеотидная последовательность в нити ДНК приводит к другому белку, экспрессируемому в клетке. Эта ошибка белка может привести к сбою процессов в клетке. Например, рецептор клетки, который может получать сигнал для остановки деления, может работать со сбоями, поэтому клетка игнорирует сигнал и продолжает делиться и может образовывать рак. Важность HDR можно увидеть из того факта, что механизм сохраняется на протяжении всей эволюции . Механизм HDR также был обнаружен у более простых организмов , таких как дрожжи .
Путь HDR еще не полностью выяснен ( март 2008 г. ). Однако ряд экспериментальных результатов указывают на обоснованность определенных моделей. Общепринято, что гистон H2AX (обозначенный как γH2AX) фосфорилируется в течение нескольких секунд после повреждения. H2AX фосфорилируется по всей области, окружающей повреждение, а не только точно в месте разрыва. Поэтому было высказано предположение, что γH2AX функционирует как адгезивный компонент для привлечения белков к поврежденному месту. Несколько исследовательских групп предположили, что фосфорилирование H2AX осуществляется ATM и ATR в сотрудничестве с MDC1. Было высказано предположение, что до или во время участия H2AX в пути восстановления комплекс MRN (состоящий из Mre11, Rad50 и NBS1) притягивается к разорванным концам ДНК и другим комплексам MRN, чтобы удерживать разорванные концы вместе. Это действие комплекса MRN может предотвратить хромосомные разрывы. В какой-то более поздний момент концы ДНК обрабатываются таким образом, что ненужные остатки химических групп удаляются и образуются одноцепочечные свесы. Между тем, с самого начала каждый фрагмент одноцепочечной ДНК покрыт белком RPA (репликационный белок A). Функция RPA, вероятно, заключается в том, чтобы сохранять одноцепочечные фрагменты ДНК стабильными до тех пор, пока комплементарный фрагмент не будет ресинтезирован полимеразой . После этого Rad51 заменяет RPA и образует нити на цепи ДНК. Работая вместе с BRCA2 (ассоциированным с раком молочной железы), Rad51 связывает комплементарный фрагмент ДНК, который внедряется в разорванную цепь ДНК, образуя матрицу для полимеразы. Полимераза удерживается на цепи ДНК с помощью PCNA (ядерный антиген пролиферирующих клеток). PCNA образует типичные узоры в ядре клетки, по которым можно определить текущий клеточный цикл. Полимераза синтезирует недостающую часть разорванной цепи. Когда разорванная цепь восстанавливается, обе цепи должны снова расцепиться. Было предложено несколько способов «расцепления», но пока недостаточно доказательств, чтобы сделать выбор между моделями ( март 2008 г. ). После того, как нити разделены, процесс завершен.
Колокализация Rad51 с повреждением указывает на то, что вместо NHEJ инициирован HDR. Напротив, присутствие комплекса Ku (Ku70 и Ku80) указывает на то, что вместо HDR инициирован NHEJ.
HDR и NHEJ восстанавливают двухцепочечные разрывы. Другие механизмы, такие как NER (Nucleotide Excision Repair), BER (Base Excision Repair) и MMR, распознают повреждения и заменяют их посредством одноцепочечного возмущения.
В почкующихся дрожжах Saccharomyces cerevisiae гомологически направленная репарация является в первую очередь ответом на спонтанное или индуцированное повреждение, которое происходит во время вегетативного роста. [4] (Также рассмотрено в Bernstein and Bernstein, стр. 220–221 [5] ). Для того чтобы дрожжевые клетки подвергались гомологически направленной репарации, в том же ядре должна присутствовать вторая молекула ДНК, содержащая гомологию последовательности с областью, которая должна быть восстановлена. В диплоидной клетке в фазе G1 клеточного цикла такая молекула присутствует в форме гомологичной хромосомы . Однако на стадии G2 клеточного цикла (после репликации ДНК) также присутствует вторая гомологичная молекула ДНК: сестринская хроматида . Данные указывают на то, что из-за особой близкой связи, которую они разделяют, сестринские хроматиды не только предпочтительны по сравнению с отдаленными гомологичными хроматидами в качестве субстратов для рекомбинационной репарации, но и обладают способностью восстанавливать больше повреждений ДНК, чем гомологи. [6]
Во время мейоза до одной трети всех событий гомологически направленной репарации происходит между сестринскими хроматидами . [7] Остальные две трети или более гомологически направленной репарации происходят в результате взаимодействия между несестринскими гомологичными хроматидами.
Фертильность самок и здоровье потенциального потомства критически зависят от адекватной доступности высококачественных ооцитов . Ооциты в основном поддерживаются в яичниках в состоянии остановки мейотической профазы . У самок млекопитающих период остановки может длиться годами. В течение этого периода остановки ооциты подвергаются спонтанному повреждению ДНК, включая двухцепочечные разрывы. Однако ооциты могут эффективно восстанавливать двухцепочечные разрывы ДНК, что позволяет восстанавливать генетическую целостность и защищать здоровье потомства. [8] Процесс, с помощью которого можно исправить повреждение ДНК ооцитов, называется гомологически направленной репарацией гомологичной рекомбинации . [8]