stringtranslate.com

Синтез-зависимый отжиг цепей

Текущая модель мейотической рекомбинации, инициируемая двухцепочечным разрывом или зазором, за которым следует спаривание с гомологичной хромосомой и вторжением в нить для инициирования процесса рекомбинационной репарации. Репарация разрыва может привести к кроссинговеру (CO) или некроссинговеру (NCO) фланкирующих областей. Считается, что рекомбинация CO происходит по модели двойного соединения Холлидея (DHJ), проиллюстрированной справа выше. Считается, что рекомбинанты NCO происходят в основном по модели зависимого от синтеза отжига нитей (SDSA), проиллюстрированной слева выше. Большинство событий рекомбинации, по-видимому, относятся к типу SDSA.

Синтез-зависимый отжиг нитей ( SDSA ) является основным механизмом гомологически-направленного восстановления двухцепочечных разрывов ДНК (DSB). Хотя многие из особенностей SDSA были впервые предложены в 1976 году [1] , модель двойного соединения Холлидея , предложенная в 1983 году [2], была одобрена многими исследователями. В 1994 году исследования восстановления двухцепочечных разрывов у Drosophila оказались несовместимыми с моделью двойного соединения Холлидея, что побудило исследователей предложить модель, которую они назвали синтез-зависимым отжигом нитей. [3] Последующие исследования мейотической рекомбинации у S. cerevisiae показали, что некроссоверные продукты появляются раньше, чем двойные соединения Холлидея или продукты кроссовера, что ставит под сомнение предыдущее представление о том, что как кроссоверные, так и некроссоверные продукты производятся двойными соединениями Холлидея, и приводит авторов к предположению, что некроссоверные продукты генерируются посредством SDSA. [4]

На прилагаемом рисунке первый шаг, обозначенный как «резекция от 5' до 3'», показывает образование 3'-концевой одинарной цепи ДНК, которая на следующем шаге вторгается в гомологичный дуплекс ДНК. Сообщается, что РНК-полимераза III катализирует образование транзитного гибрида РНК-ДНК при двухцепочечных разрывах в качестве существенного промежуточного шага в восстановлении разрывов путем гомологичной рекомбинации. [5] Образование гибрида РНК-ДНК защитит вторгающуюся одноцепочечную ДНК от деградации. После того, как транзитный промежуточный гибрид РНК-ДНК сформирован, цепь РНК заменяется белком Rad51 , который катализирует последующую стадию вторжения цепи.

В модели SDSA восстановление двухцепочечных разрывов происходит без образования двойного соединения Холлидея, так что два процесса гомологичной рекомбинации идентичны до момента, когда происходит образование D-петли. [6] У дрожжей D-петля образуется путем вторжения нити с помощью белков Rad51 и Rad52 , [7] а затем на нее воздействует ДНК- хеликаза Srs2, предотвращая образование двойного соединения Холлидея для реализации пути SDSA. [8] Таким образом, внедряющаяся 3'-цепь удлиняется вдоль гомологичного дуплекса ДНК-реципиента ДНК-полимеразой в направлении от 5' до 3', так что D-петля физически перемещается — процесс, называемый синтезом ДНК с миграцией пузырьков. [9] Затем образовавшееся одиночное соединение Холлидея скользит вниз по дуплексу ДНК в том же направлении в процессе, называемом миграцией ветвей , вытесняя удлиненную цепь из цепи-матрицы. Эта смещенная цепь выскакивает, образуя 3'-выступ в исходном двухцепочечном дуплексе разрыва, который затем может отжигаться с противоположным концом исходного разрыва через комплементарное спаривание оснований. Таким образом, синтез ДНК заполняет пробелы, оставшиеся после отжига, и удлиняет оба конца все еще присутствующего одноцепочечного разрыва ДНК, лигируя все оставшиеся пробелы для получения рекомбинантной некроссоверной ДНК. [10]

SDSA уникален тем, что транслокация D-петли приводит к консервативной, а не полуконсервативной репликации , поскольку первая расширенная цепь смещается от своей матричной цепи , оставляя гомологичный дуплекс нетронутым. Поэтому, хотя SDSA производит некроссоверные продукты, поскольку фланкирующие маркеры гетеродуплексной ДНК не обмениваются, может произойти генная конверсия , при которой нереципрокный генетический перенос происходит между двумя гомологичными последовательностями. [11]

Ферменты, используемые в SDSA во время мейоза

Сборка нуклеопротеиновой нити, включающей одноцепочечную ДНК (ssDNA) и гомолог RecA , Rad51 , является ключевым шагом, необходимым для поиска гомологии во время рекомбинации . В почкующихся дрожжах Saccharomyces cerevisiae транслоказа Srs2 разбирает нити Rad51 во время мейоза . [12] Непосредственно взаимодействуя с Rad51, Srs2 вытесняет Rad51 из нуклеопротеиновых нитей, тем самым ингибируя зависимое от Rad51 образование совместных молекул и структур D-петли . Эта демонтажная активность специфична для Rad51, поскольку Srs2 не разбирает DMC1 (мейоз-специфический гомолог Rad51), Rad52 (медиатор Rad 51) или репликационный белок A ( RPA , белок, связывающий одноцепочечную ДНК). Srs2 стимулирует непересекающийся путь SDSA, по-видимому, регулируя связывание RAD51 во время обмена цепями. [13]

Расхождение между SDSA и двойным соединением Холлидея происходит, когда D-петля разбирается, позволяя зарождающейся цепи отжигаться с другим резецированным концом DSB (в модели двойного соединения Холлидея цепь, смещенная расширением D-петли, отжигается с другим концом DSB в «захвате второго конца»). Исследования на Drosophila melanogaster идентифицировали хеликазу синдрома Блума (Blm) как фермент, способствующий разборке D-петли. [14] [15] [16] Аналогичным образом, Sgs1 S. cerevisiae , ортолог BLM, по-видимому, является центральным регулятором большинства событий рекомбинации , которые происходят во время мейоза S. cerevisiae . [17] Sgs1(BLM) может разбирать структуры D-петли , аналогичные ранним промежуточным продуктам вторжения 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 проход ДНК). Этот комплекс, называемый STR (по трем его компонентам), способствует раннему образованию рекомбинантов NCO с помощью SDSA во время мейоза. [18]

Как было рассмотрено Uringa et al. [19], предполагается, что геликаза RTEL1 регулирует рекомбинацию во время мейоза у червя Caenorhabditis elegans . RTEL1 является ключевым белком в восстановлении DSB. Он разрушает D-петли и, как полагают, способствует результатам NCO через SDSA.

Число DSB, созданных во время мейоза, может существенно превышать число конечных событий CO. У растения Arabidopsis thaliana только около 4% DSB восстанавливаются путем рекомбинации CO, [20] что позволяет предположить, что большинство DSB восстанавливаются путем рекомбинации NCO. Данные, основанные на тетрадном анализе нескольких видов грибов, показывают, что только меньшинство (в среднем около 34%) событий рекомбинации во время мейоза являются CO (см. Whitehouse, [21] Таблицы 19 и 38 для резюме данных по S. cerevisiae , Podospora anserina , Sordaria fimicola и Sordaria brevicollis ). У плодовой мушки D. melanogaster во время мейоза у самок наблюдается по крайней мере 3:1 соотношение NCO к CO. [22] Эти наблюдения указывают на то, что большинство событий рекомбинации во время мейоза являются NCO, и предполагают, что SDSA является основным путем рекомбинации во время мейоза.

Ссылки

  1. ^ Resnick MA (июнь 1976). «Репарация двухцепочечных разрывов ДНК; модель, включающая рекомбинацию». Журнал теоретической биологии . 59 (1): 97–106. Bibcode : 1976JThBi..59...97R. doi : 10.1016/s0022-5193(76)80025-2. PMID  940351.
  2. ^ Szostak JW, Orr-Weaver TL, Rothstein R, Stahl FW (май 1983). «Модель репарации двухцепочечных разрывов для рекомбинации». Cell . 33 (1): 25–35. doi :10.1016/0092-8674(83)90331-8. PMID  6380756. S2CID  39590123.
  3. ^ Nassif N, Penney J, Pal S, Engels WR, Gloor GB (март 1994). "Эффективное копирование негомологичных последовательностей из эктопических сайтов посредством репарации разрывов, вызванной P-элементом". Молекулярная и клеточная биология . 14 (3): 1613–25. doi :10.1128/mcb.14.3.1613. PMC 358520. PMID  8114699 . 
  4. ^ Allers T, Lichten M (июль 2001 г.). «Дифференциальное время и контроль некроссоверной и кроссоверной рекомбинации во время мейоза». Cell . 106 (1): 47–57. doi : 10.1016/s0092-8674(01)00416-0 . PMID  11461701.
  5. ^ Liu S, Hua Y, Wang J, Li L, Yuan J, Zhang B, Wang Z, Ji J, Kong D. РНК-полимераза III необходима для восстановления двухцепочечных разрывов ДНК путем гомологичной рекомбинации. Cell. 2021 Mar 4;184(5):1314-1329.e10. doi: 10.1016/j.cell.2021.01.048. Epub 2021 Feb 23. PMID: 33626331
  6. ^ McMahill MS, Sham CW, Bishop DK (ноябрь 2007 г.). "Зависящий от синтеза отжиг цепей в мейозе". PLOS Biology . 5 (11): e299. doi : 10.1371/journal.pbio.0050299 . PMC 2062477. PMID  17988174 . 
  7. ^ Dupaigne P, Le Breton C, Fabre F, Gangloff S, Le Cam E, Veaute X (февраль 2008 г.). «Активность геликазы Srs2 стимулируется филаментами Rad51 на двухцепочечной ДНК: влияние на частоту кроссинговера во время митотической рекомбинации». Molecular Cell . 29 (2): 243–54. doi : 10.1016/j.molcel.2007.11.033 . PMID  18243118.
  8. ^ Miura T, Yamana Y, Usui T, Ogawa HI, Yamamoto MT, Kusano K (май 2012). «Гомологичная рекомбинация посредством синтез-зависимого отжига цепей в дрожжах требует ДНК-хеликаз Irc20 и Srs2». Genetics . 191 (1): 65–78. doi :10.1534/genetics.112.139105. PMC 3338270 . PMID  22367032. 
  9. ^ Formosa T, Alberts BM (декабрь 1986 г.). «Синтез ДНК, зависящий от генетической рекомбинации: характеристика реакции, катализируемой очищенными белками бактериофага T4». Cell . 47 (5): 793–806. doi :10.1016/0092-8674(86)90522-2. PMID  3022939. S2CID  37903641.
  10. ^ Helleday T, Lo J, van Gent DC, Engelward BP (июль 2007 г.). «Репарация двухцепочечных разрывов ДНК: от механистического понимания к лечению рака». DNA Repair . 6 (7): 923–35. doi :10.1016/j.dnarep.2007.02.006. PMID  17363343.
  11. ^ Maher RL, Branagan AM, Morrical SW (октябрь 2011 г.). «Координация репликации ДНК и рекомбинационной активности в поддержании стабильности генома». Journal of Cellular Biochemistry . 112 (10): 2672–82. doi :10.1002/jcb.23211. PMC 3178728. PMID 21647941  . 
  12. ^ Sasanuma H, Furihata Y, Shinohara M, Shinohara A (август 2013 г.). «Ремоделирование белка обмена цепями ДНК Rad51 с помощью геликазы Srs2». Genetics . 194 (4): 859–72. doi :10.1534/genetics.113.150615. PMC 3730916 . PMID  23770697. 
  13. ^ Ira G, Malkova A, Liberi G, Foiani M, Haber JE (ноябрь 2003 г.). "Srs2 и Sgs1-Top3 подавляют кроссинговеры во время репарации двухцепочечных разрывов у дрожжей". Cell . 115 (4): 401–11. doi :10.1016/s0092-8674(03)00886-9. PMC 4493758 . PMID  14622595. 
  14. ^ Адамс МД, МакВей М, Секелски ДжДж (январь 2003 г.). "Дрозофила BLM в репарации двухцепочечных разрывов с помощью синтез-зависимого отжига цепей". Science . 299 (5604): 265–7. Bibcode :2003Sci...299..265A. doi :10.1126/science.1077198. PMID  12522255. S2CID  39077165.
  15. ^ McVey M, Adams M, Staeva-Vieira E, Sekelsky JJ (июнь 2004 г.). «Доказательства множественных циклов вторжения нитей во время восстановления двухцепочечных разрывов у дрозофилы». Genetics . 167 (2): 699–705. doi :10.1534/genetics.103.025411. PMC 1470890 . PMID  15238522. 
  16. ^ McVey M, Larocque JR, Adams MD, Sekelsky JJ (ноябрь 2004 г.). «Формирование делеций во время репарации двухцепочечных разрывов у мутантов Drosophila DmBlm происходит после вторжения в цепь». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 101 (44): 15694–9. Bibcode : 2004PNAS..10115694M. doi : 10.1073/pnas.0406157101 . PMC 524851. PMID  15501916 . 
  17. ^ ab De Muyt A, Jessop L, Kolar E, Sourirajan A, Chen J, Dayani Y, Lichten M (апрель 2012 г.). "BLM геликазный ортолог Sgs1 является центральным регулятором промежуточного метаболизма мейотической рекомбинации". Molecular Cell . 46 (1): 43–53. doi :10.1016/j.molcel.2012.02.020. PMC 3328772 . PMID  22500736. 
  18. ^ Kaur H, De Muyt A, Lichten M (февраль 2015 г.). «ДНК-одноцепочечная декатеназа Top3-Rmi1 является неотъемлемой частью формирования и разрешения промежуточных продуктов мейотической рекомбинации». Molecular Cell . 57 (4): 583–594. doi :10.1016/j.molcel.2015.01.020. PMC 4338413 . PMID  25699707. 
  19. ^ Uringa EJ, Youds JL, Lisaingo K, Lansdorp PM, Boulton SJ (март 2011 г.). «RTEL1: необходимая геликаза для поддержания теломер и регуляции гомологичной рекомбинации». Nucleic Acids Research . 39 (5): 1647–55. doi :10.1093/nar/gkq1045. PMC 3061057. PMID  21097466 . 
  20. ^ 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. PMID  22723424. S2CID  14570996.
  21. ^ Уайтхаус, HLK (1982). Генетическая рекомбинация: понимание механизмов. Wiley. стр. 321 и таблица 38. ISBN 978-0471102052 . 
  22. ^ Mehrotra S, McKim KS (ноябрь 2006 г.). «Временной анализ образования и восстановления двухцепочечных разрывов мейотической ДНК у самок дрозофилы». PLOS Genetics . 2 (11): e200. doi : 10.1371/journal.pgen.0020200 . PMC 1657055. PMID  17166055 .