Стресс репликации ДНК относится к состоянию клетки, геном которой подвергается различным стрессам. События, способствующие стрессу репликации, происходят во время репликации ДНК и могут привести к остановке репликационной вилки . [1]
Существует множество событий, которые способствуют репликативному стрессу, в том числе: [2]
ATM и ATR — это белки, которые помогают смягчить репликационный стресс. [3] В частности, это киназы , которые привлекаются и активируются повреждением ДНК. [1] [2] Остановленная репликативная вилка может разрушиться, если эти регуляторные белки не смогут ее стабилизировать. [4] Когда это происходит, инициируется повторная сборка вилки для восстановления поврежденного конца ДНК. [4]
Репликационная вилка состоит из группы белков, которые влияют на активность репликации ДНК. Для того, чтобы репликационная вилка остановилась, клетка должна обладать определенным количеством остановленных вилок и длиной остановки. Репликационная вилка специально останавливается из-за остановки активности геликазы и полимеразы , которые связаны друг с другом. В этой ситуации комплекс защиты вилки (FPC) привлекается для поддержания этой связи. [5]
В дополнение к остановке и поддержанию структуры вилки, фосфорилирование белка также может создавать каскад сигналов для перезапуска репликации. Белок Mrc1, который является частью FPC, передает сигнал контрольной точки, взаимодействуя с киназами по всему каскаду. Когда происходит потеря этих киназ (из-за репликационного стресса), образуется избыток одноцепочечной ДНК, что необходимо для перезапуска репликации. [6]
Межцепочечные сшивки ДНК (ICL) вызывают репликационный стресс, блокируя продвижение репликационной вилки. Эта блокировка приводит к сбою разделения нитей ДНК и остановке репликационной вилки. Ремонт ICL может быть выполнен с помощью последовательных разрезов и гомологичной рекомбинации . В клетках позвоночных репликация матрицы хроматина , содержащей ICL, запускает набор более 90 факторов репарации ДНК и поддержания генома. [7] Анализ белков, рекрутируемых в остановившиеся репликационные вилки, выявил определенный набор факторов репарации ДНК, участвующих в ответе на репликационный стресс. [7] Было обнаружено, что среди этих белков SLF1 и SLF2 физически связывают комплекс белков репарации ДНК SMC5 / 6 с RAD18 . Комплекс SMC5 / 6 используется в гомологичной рекомбинации, и его связь с RAD18, вероятно, позволяет рекрутировать SMC5 / 6 к продуктам убиквитинирования в местах повреждения ДНК.
Механизмы, которые обрабатывают поврежденную ДНК в координации с реплисомой для поддержания прогрессии репликативной вилки, считаются примерами репарации, связанной с репликацией. В дополнение к репарации межцепочечных сшивок ДНК , указанной выше, множественные процессы репарации ДНК, работающие в перекрывающихся слоях, могут быть привлечены к поврежденным участкам в зависимости от характера и местоположения повреждения. Эти процессы репарации включают (1) удаление неправильно включенных оснований ; (2) удаление неправильно включенных рибонуклеотидов; (3) удаление поврежденных оснований (например, окисленных или метилированных оснований), которые блокируют репликативную полимеразу; (4) удаление ДНК-белковых сшивок; и (5) удаление двухцепочечных разрывов. [8] Такие пути репарации могут функционировать для защиты остановившихся репликативных вилок от деградации и позволяют перезапустить сломанные вилки, но при их дефиците может возникнуть репликационный стресс.
Стресс репликации индуцируется различными эндогенными и экзогенными стрессами, которые регулярно вводятся в геном. [9] Эти стрессы включают, помимо прочего, повреждение ДНК , чрезмерное уплотнение хроматина (препятствующее доступу реплисомы ), сверхэкспрессию онкогенов , [10] или труднореплицируемые структуры генома . [1] [2] Стресс репликации может привести к нестабильности генома , раку и старению . [11] [12] Нескоординированные конфликты репликации-транскрипции и незапланированное накопление R-петли являются значительными факторами. [13]
События, которые приводят к нестабильности генома, происходят в клеточном цикле до митоза , в частности в фазе S. Нарушение этой фазы может вызвать негативные эффекты, такие как неточная сегрегация хромосом, для предстоящей митотической фазы. [9] Два процесса, которые отвечают за повреждение фазы S, — это онкогенная активация и инактивация супрессоров опухолей. Было показано, что оба они ускоряют переход от фазы G1 к фазе S, что приводит к недостаточному количеству компонентов репликации ДНК. Эти потери могут способствовать реакции на повреждение ДНК (DDR). Стресс репликации может быть показательной характеристикой для канцерогенеза, в котором обычно отсутствуют системы репарации ДНК. [14] [15] Физиологически короткая продолжительность фазы G1 также типична для быстро реплицирующихся предшественников во время раннего эмбрионального развития. [16]
Нормальный репликационный стресс возникает на низких или умеренных уровнях и вызывает геномную нестабильность, которая может привести к образованию опухолей и прогрессированию рака. [17] Однако было показано, что высокие уровни репликационного стресса убивают раковые клетки.
В одном исследовании ученые пытались определить эффекты индуцирования высокого уровня репликационного стресса на раковые клетки. Результаты показали, что с дальнейшей потерей контрольных точек репликационный стресс увеличивается до более высокого уровня. При таком изменении репликация ДНК раковых клеток может быть неполной или неправильной при вступлении в митотическую фазу, что в конечном итоге может привести к гибели клетки через митотическую катастрофу . [14]
В другом исследовании изучалось, как стресс репликации влияет на активность APOBEC3B. Было замечено, что APOBEC3 (фермент редактирования мРНК аполипопротеина B, каталитический полипептид-подобный 3) мутирует геном рака при различных типах рака. Результаты этого исследования показывают, что ослабление онкогенной сигнализации или усиление стресса репликации ДНК может изменить канцерогенный потенциал и может быть подвергнуто терапевтическому воздействию. [18]