stringtranslate.com

Гомологичная рекомбинация

Изображение хромосомы 1 после гомологичной рекомбинации в мейозе
Рисунок 1. Во время мейоза гомологичная рекомбинация может создавать новые комбинации генов, как показано здесь между похожими, но не идентичными копиями человеческой хромосомы 1 .

Гомологичная рекомбинация — тип генетической рекомбинации , при котором происходит обмен генетической информацией между двумя похожими или идентичными молекулами двухцепочечных или одноцепочечных нуклеиновых кислот (обычно ДНК, как в клеточных организмах, но может быть и РНК у вирусов ).

Гомологичная рекомбинация широко используется клетками для точного восстановления вредных разрывов ДНК, которые возникают на обеих цепях ДНК, известных как двухцепочечные разрывы (DSB), в процессе, называемом гомологичной рекомбинационной репарацией (HRR). [1]

Гомологичная рекомбинация также производит новые комбинации последовательностей ДНК во время мейоза , процесса, посредством которого эукариоты создают гаметные клетки, такие как сперма и яйцеклетки у животных. Эти новые комбинации ДНК представляют собой генетическую изменчивость у потомства, что, в свою очередь, позволяет популяциям адаптироваться в ходе эволюции . [2]

Гомологичная рекомбинация также используется в горизонтальном переносе генов для обмена генетическим материалом между различными штаммами и видами бактерий и вирусов. Горизонтальный перенос генов является основным механизмом распространения устойчивости к антибиотикам у бактерий.

Хотя гомологичная рекомбинация широко варьируется среди различных организмов и типов клеток, для двухцепочечной ДНК ( dsDNA ) большинство форм включают одни и те же основные этапы. После того, как происходит двухцепочечный разрыв, участки ДНК вокруг 5'-концов разрыва отрезаются в процессе, называемом резекцией . На следующем этапе вторжения в цепь выступающий 3'-конец разорванной молекулы ДНК затем «вторгается» в похожую или идентичную молекулу ДНК, которая не разорвана. После вторжения в цепь дальнейшая последовательность событий может следовать одному из двух основных путей, обсуждаемых ниже (см. Модели); путь DSBR (репарация двухцепочечного разрыва) или путь SDSA (отжиг цепи, зависящий от синтеза). Гомологичная рекомбинация, которая происходит во время репарации ДНК, как правило, приводит к некроссоверным продуктам, по сути восстанавливая поврежденную молекулу ДНК в том виде, в котором она существовала до двухцепочечного разрыва.

Гомологичная рекомбинация сохраняется во всех трех доменах жизни, а также в ДНК- и РНК- вирусах , что позволяет предположить, что это почти универсальный биологический механизм. Открытие генов гомологичной рекомбинации у протистов — разнообразной группы эукариотических микроорганизмов — было интерпретировано как доказательство того, что гомологичная рекомбинация возникла на ранних этапах эволюции эукариот. Поскольку их дисфункция была тесно связана с повышенной восприимчивостью к нескольким типам рака , белки, которые облегчают гомологичную рекомбинацию, являются темами активных исследований. Гомологичная рекомбинация также используется в нацеливании генов — методе внесения генетических изменений в целевые организмы. За разработку этого метода Марио Капеччи , Мартин Эванс и Оливер Смитис были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине 2007 года ; Капеччи [3] и Смитис [4] независимо друг от друга открыли применение к эмбриональным стволовым клеткам мышей, однако высококонсервативные механизмы, лежащие в основе модели восстановления DSB, включая равномерную гомологичную интеграцию трансформированной ДНК (генная терапия), были впервые продемонстрированы в экспериментах с плазмидами Орр-Уивером, Шостаком и Ротштейном. [5] [6] [7] Исследования индуцированных плазмидой DSB с использованием γ-облучения [8] в 1970-1980-х годах привели к более поздним экспериментам с использованием эндонуклеаз (например, I-SceI) для разрезания хромосом в целях генной инженерии клеток млекопитающих, где негомологичная рекомбинация встречается чаще, чем в дрожжах. [9]

История и открытия

Рисунок 2. Ранняя иллюстрация кроссинговера от Томаса Ханта Моргана.

В начале 1900-х годов Уильям Бейтсон и Реджинальд Паннетт обнаружили исключение из одного из принципов наследования, первоначально описанного Грегором Менделем в 1860-х годах. В отличие от представления Менделя о том, что признаки независимо сортируются при передаче от родителя к ребенку — например, что цвет шерсти кошки и длина ее хвоста наследуются независимо друг от друга — Бейтсон и Паннетт показали, что определенные гены, связанные с физическими признаками, могут наследоваться вместе или быть генетически связанными . [10] [11] В 1911 году, заметив, что связанные признаки иногда могут наследоваться по отдельности, Томас Хант Морган предположил, что между связанными генами могут происходить « кроссоверы », [12] когда один из связанных генов физически переходит на другую хромосому . Два десятилетия спустя Барбара МакКлинток и Харриет Крейтон продемонстрировали, что кроссинговер хромосом происходит во время мейоза , [13] [14] процесса деления клеток, в ходе которого образуются сперматозоиды и яйцеклетки . В том же году, когда было сделано открытие МакКлинток, Курт Стерн показал, что кроссинговер, позже названный «рекомбинацией», может также происходить в соматических клетках, таких как лейкоциты и клетки кожи , которые делятся посредством митоза . [13] [15]

В 1947 году микробиолог Джошуа Ледерберг показал, что бактерии, которые, как предполагалось, размножаются только бесполым путем посредством бинарного деления , способны к генетической рекомбинации, которая больше похожа на половое размножение. Эта работа установила E. coli как модельный организм в генетике [16] и помогла Ледербергу выиграть Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1958 года . [17] Основываясь на исследованиях грибов , в 1964 году Робин Холлидей предложил модель рекомбинации в мейозе, которая представила ключевые детали того, как может работать этот процесс, включая обмен материалом между хромосомами через соединения Холлидея . [18] В 1983 году Джек Шостак и его коллеги представили модель, теперь известную как путь DSBR, которая учитывала наблюдения, не объясненные моделью Холлидея. [18] [7] В течение следующего десятилетия эксперименты на дрозофиле , почкующихся дрожжах и клетках млекопитающих привели к появлению других моделей гомологичной рекомбинации, называемых путями SDSA, которые не всегда полагаются на соединения Холлидея. [18]

Большая часть более поздней работы по идентификации белков, участвующих в этом процессе, и определению их механизмов была проделана рядом специалистов, включая Джеймса Хабера , Патрика Санга , Стивена Ковальчиковски и других.

У эукариот

Гомологичная рекомбинация (HR) необходима для деления клеток у эукариот, таких как растения, животные, грибы и простейшие. Гомологичная рекомбинация восстанавливает двухцепочечные разрывы в ДНК, вызванные ионизирующим излучением или повреждающими ДНК химическими веществами. [19] Если их не восстанавливать, эти двухцепочечные разрывы могут вызвать крупномасштабную перестройку хромосом в соматических клетках , [20] что в свою очередь может привести к раку. [21]

Помимо восстановления ДНК, гомологичная рекомбинация также помогает производить генетическое разнообразие, когда клетки делятся в мейозе, чтобы стать специализированными гаметными клетками — сперматозоидами или яйцеклетками у животных, пыльцой или семяпочками у растений и спорами у грибов . Это происходит за счет содействия хромосомному кроссинговеру , при котором области похожей, но не идентичной ДНК обмениваются между гомологичными хромосомами . [22] [23] Это создает новые, возможно, полезные комбинации генов, которые могут дать потомству эволюционное преимущество. [24] Хромосомный кроссинговер часто начинается, когда белок под названием Spo11 делает целевой двухцепочечный разрыв в ДНК. [25] Эти участки неслучайно расположены на хромосомах; обычно в межгенных промоторных областях и преимущественно в доменах , богатых GC [26] Эти сайты двухцепочечных разрывов часто встречаются в рекомбинационных горячих точках , областях хромосом, длина которых составляет около 1000–2000 пар оснований и которые имеют высокие показатели рекомбинации. Отсутствие рекомбинационной горячей точки между двумя генами на одной хромосоме часто означает, что эти гены будут унаследованы будущими поколениями в равной пропорции. Это представляет собой сцепление между двумя генами, большее, чем можно было бы ожидать от генов, которые независимо сортируются во время мейоза. [27]

Время в митотическом цикле клеток

Рисунок 3. Попытки репарации путем гомологичной рекомбинации происходят в ДНК до того, как клетка вступит в митоз (показана фаза М) во время фаз S и G 2 клеточного цикла .

Двухцепочечные разрывы могут быть восстановлены посредством гомологичной рекомбинации, полимеразного тета-опосредованного соединения концов (TMEJ) или посредством негомологичного соединения концов (NHEJ). [28] NHEJ — это механизм репарации ДНК, который, в отличие от гомологичной рекомбинации, не требует длинной гомологичной последовательности для управления репарацией. Используется ли гомологичная рекомбинация или NHEJ для восстановления двухцепочечных разрывов, в значительной степени определяется фазой клеточного цикла . Гомологичная рекомбинация восстанавливает ДНК до того, как клетка вступит в митоз (фазу М). Она происходит во время и вскоре после репликации ДНК , в фазах S и G 2 клеточного цикла, когда сестринские хроматиды более доступны. [29] По сравнению с гомологичными хромосомами, которые похожи на другую хромосому, но часто имеют разные аллели , сестринские хроматиды являются идеальным шаблоном для гомологичной рекомбинации, поскольку они являются идентичной копией данной хромосомы. Когда гомологичный шаблон недоступен или когда шаблон не может быть доступен из-за дефекта гомологичной рекомбинации, разрыв восстанавливается посредством TMEJ в фазах S и G 2 клеточного цикла. В отличие от гомологичной рекомбинации и TMEJ, NHEJ преобладает в фазе G 1 клеточного цикла, когда клетка растет, но еще не готова к делению. Он встречается реже после фазы G 1 , но сохраняет по крайней мере некоторую активность на протяжении всего клеточного цикла. Механизмы, которые регулируют гомологичную рекомбинацию и NHEJ на протяжении всего клеточного цикла, сильно различаются между видами. [30]

Циклинзависимые киназы (CDK), которые изменяют активность других белков, добавляя к ним фосфатные группы (то есть фосфорилируя их), являются важными регуляторами гомологичной рекомбинации у эукариот. [30] Когда в почкующихся дрожжах начинается репликация ДНК, циклинзависимая киназа Cdc28 начинает гомологичную рекомбинацию, фосфорилируя белок Sae2 . [31] После активации добавлением фосфата Sae2 делает чистый разрез вблизи двухцепочечного разрыва ДНК. Неясно, является ли эндонуклеаза, ответственная за этот разрез, самим Sae2 или другим белком, Mre11 . [32] Это позволяет белковому комплексу, включающему Mre11, известному как комплекс MRX , связываться с ДНК и начинать серию белковых реакций, которые обмениваются материалом между двумя молекулами ДНК. [33]

Роль хроматина

Упаковка эукариотической ДНК в хроматин представляет собой барьер для всех основанных на ДНК процессов, которые требуют привлечения ферментов к их сайтам действия. Чтобы обеспечить гомологичную рекомбинацию (HR) ДНК-репарацию, хроматин должен быть ремоделирован. У эукариот зависимые от АТФ комплексы ремоделирования хроматина и гистон-модифицирующие ферменты являются двумя преобладающими факторами, используемыми для выполнения этого процесса ремоделирования. [34]

Релаксация хроматина происходит быстро в месте повреждения ДНК. [35] На одном из самых ранних этапов стресс-активируемая протеинкиназа, c-Jun N-терминальная киназа (JNK) , фосфорилирует SIRT6 на серине 10 в ответ на двухцепочечные разрывы или другие повреждения ДНК. [36] Эта посттрансляционная модификация облегчает мобилизацию SIRT6 к местам повреждения ДНК и необходима для эффективного привлечения поли (АДФ-рибоза) полимеразы 1 (PARP1) к местам разрыва ДНК и для эффективного восстановления DSB. [36] Белок PARP1 начинает появляться в местах повреждения ДНК менее чем за секунду, с полумаксимальным накоплением в течение 1,6 секунды после возникновения повреждения. [37] Затем ремоделер хроматина Alc1 быстро прикрепляется к продукту действия PARP1, цепи поли-АДФ-рибозы, и Alc1 завершает прибытие к повреждению ДНК в течение 10 секунд с момента возникновения повреждения. [35] Около половины максимальной релаксации хроматина, предположительно из-за действия Alc1, происходит за 10 секунд. [35] Это затем позволяет рекрутировать фермент репарации ДНК MRE11 , чтобы инициировать репарацию ДНК, в течение 13 секунд. [37]

γH2AX, фосфорилированная форма H2AX, также участвует в ранних этапах, ведущих к деконденсации хроматина после двухцепочечных разрывов ДНК. Гистоновый вариант H2AX составляет около 10% гистонов H2A в хроматине человека. [38] γH2AX (H2AX, фосфорилированный по серину 139) можно обнаружить уже через 20 секунд после облучения клеток (с образованием двухцепочечного разрыва ДНК), а половина максимального накопления γH2AX происходит через одну минуту. [38] Степень хроматина с фосфорилированным γH2AX составляет около двух миллионов пар оснований в месте двухцепочечного разрыва ДНК. [38] Сам по себе γH2AX не вызывает деконденсации хроматина, но в течение 30 секунд после облучения можно обнаружить белок RNF8 в ассоциации с γH2AX. [39] RNF8 опосредует обширную деконденсацию хроматина посредством его последующего взаимодействия с CHD4 , [40] компонентом комплекса ремоделирования нуклеосом и деацетилазы NuRD .

После релаксации, вызванной повреждением ДНК, и последующей репарации ДНК, хроматин восстанавливается до состояния уплотнения, близкого к уровню до повреждения, примерно через 20 минут. [35]

Гомологичная рекомбинация во время мейоза

У позвоночных места, в которых происходит рекомбинация, определяются местами связывания PRDM9 , белка, который распознает определенный мотив последовательности с помощью своего массива цинковых пальцев. [41] В этих местах другой белок, SPO11, катализирует инициирующие рекомбинацию двухцепочечные разрывы (DSB), подмножество которых восстанавливается путем рекомбинации с гомологичной хромосомой. PRDM9 откладывает метки метилирования гистонов H3K4me3 и H3K36me3 в местах, с которыми он связывается, и эта активность метилтрансферазы необходима для его роли в позиционировании DSB. После их формирования сайты DSB обрабатываются путем резекции, в результате чего образуется одноцепочечная ДНК (ssDNA), которая становится декорированной DMC1. От середины зиготены до ранней пахитены, как часть процесса рекомбинационной репарации, DMC1 диссоциирует от одноцепочечной ДНК, и количество уменьшается до тех пор, пока все разрывы (за исключением тех, что находятся на хромосомах XY) не будут репарированы в поздней пахитене. В этом процессе участвуют несколько других белков, включая ZCWPW1, [42] первый белок, напрямую позиционируемый двойными гистоновыми метками PRDM9. ZCWPW1 важен для гомологичной репарации DSB, а не для позиционирования.

Модели

Рисунок 4. Модели репарации двухцепочечных разрывов, действующие посредством гомологичной рекомбинации.

Две основные модели того, как гомологичная рекомбинация восстанавливает двухцепочечные разрывы в ДНК, — это путь репарации двухцепочечных разрывов (DSBR) (иногда называемый моделью двойного соединения Холлидея ) и путь синтез-зависимого отжига цепей (SDSA). [43] Эти два пути похожи на своих первых нескольких этапах. После того, как происходит двухцепочечный разрыв, комплекс MRX ( комплекс MRN у людей) связывается с ДНК по обе стороны от разрыва. Затем происходит резекция, при которой ДНК вокруг 5'-концов разрыва разрезается. Это происходит в два отдельных этапа: сначала комплекс MRX привлекает белок Sae2, и эти два белка обрезают 5'-концы по обе стороны от разрыва, чтобы создать короткие 3'-выступы одноцепочечной ДНК; на втором этапе резекция 5'→3' продолжается геликазой Sgs1 и нуклеазами Exo1 и Dna2 . Как геликаза , Sgs1 «распаковывает» двухцепочечную ДНК, в то время как нуклеазная активность Exo1 и Dna2 позволяет им разрезать одноцепочечную ДНК, продуцируемую Sgs1. [31]

Затем белок RPA , имеющий высокое сродство к одноцепочечной ДНК, связывает 3'-выступы. [44] С помощью нескольких других белков, которые опосредуют этот процесс, белок Rad51 (и Dmc1 в мейозе) затем образует нить нуклеиновой кислоты и белка на одинарной цепи ДНК, покрытой RPA. Затем эта нить нуклеопротеина начинает искать последовательности ДНК, похожие на последовательности 3'-выступа. После обнаружения такой последовательности одноцепочечная нить нуклеопротеина перемещается (вторгается) в подобный или идентичный дуплекс ДНК-реципиента в процессе, называемом вторжением нити . В клетках, которые делятся посредством митоза, дуплекс ДНК-реципиента, как правило, является сестринской хроматидом, которая идентична поврежденной молекуле ДНК и обеспечивает шаблон для восстановления. Однако в мейозе ДНК-реципиент, как правило, происходит из похожей, но не обязательно идентичной гомологичной хромосомы. [43] Петля смещения ( D-петля ) образуется во время вторжения нити между вторгающейся 3'-выступающей нитью и гомологичной хромосомой. После вторжения нити ДНК-полимераза удлиняет конец вторгающейся 3'-нити, синтезируя новую ДНК. Это изменяет D-петлю на крестообразную структуру, известную как соединение Холлидея . После этого на вторгающейся нити (т. е. на одном из исходных 3'-выступов) происходит еще больший синтез ДНК, эффективно восстанавливая нить на гомологичной хромосоме, которая была смещена во время вторжения нити. [43]

Путь DSBR

См. соседний текст.
Рисунок 5. Пути DSBR и SDSA следуют тем же начальным шагам, но затем расходятся. Путь DSBR чаще всего приводит к хромосомному кроссинговеру (внизу слева), тогда как SDSA всегда заканчивается некроссоверными продуктами (внизу справа).

После стадий резекции, вторжения в нить и синтеза ДНК пути DSBR и SDSA становятся отдельными. [43] Путь DSBR уникален тем, что второй 3'-выступ (который не участвовал в вторжении в нить) также образует соединение Холлидея с гомологичной хромосомой. Двойные соединения Холлидея затем преобразуются в продукты рекомбинации с помощью никирующих эндонуклеаз , типа эндонуклеазы рестрикции , которая разрезает только одну цепь ДНК. Путь DSBR обычно приводит к кроссинговеру, хотя иногда он может приводить к продуктам, не являющимся кроссинговерными; способность разорванной молекулы ДНК собирать последовательности из разделенных донорских локусов была показана в митотических почкующихся дрожжах с использованием плазмид или эндонуклеазной индукции хромосомных событий. [45] [46] Из-за этой тенденции к хромосомному кроссинговеру путь DSBR является вероятной моделью того, как происходит кроссинговерная гомологичная рекомбинация во время мейоза. [22]

Приведет ли рекомбинация в пути DSBR к хромосомному кроссинговеру, определяется тем, как разрезается или «разрешается» двойной стык Холлидея. Хромосомный кроссинговер произойдет, если один стык Холлидея будет разрезана на пересекающейся нити, а другой стык Холлидея будет разрезана на непересекающейся нити (на рисунке 5, вдоль горизонтальных фиолетовых наконечников стрелок на одном стыке Холлидея и вдоль вертикальных оранжевых наконечников стрелок на другом). В качестве альтернативы, если два стыка Холлидея будут разрезаны на пересекающихся нитях (вдоль горизонтальных фиолетовых наконечников стрелок на обоих стыках Холлидея на рисунке 5), то будут получены хромосомы без кроссинговера. [47]

Путь SDSA

Гомологичная рекомбинация через путь SDSA происходит в клетках, которые делятся через митоз и мейоз и приводит к некроссоверным продуктам. В этой модели вторгающаяся 3'-цепь удлиняется вдоль дуплекса ДНК реципиента ДНК-полимеразой и высвобождается, когда соединение Холлидея между молекулами ДНК донора и реципиента скользит в процессе, называемом миграцией ветвей . Затем вновь синтезированный 3'-конец вторгающейся цепи может отжигаться с другим 3'-выступом в поврежденной хромосоме посредством комплементарного спаривания оснований. После отжига цепей иногда может оставаться небольшой лоскут ДНК. Любые такие лоскуты удаляются, и путь SDSA заканчивается повторным закрытием, также известным как лигирование , любых оставшихся одноцепочечных пробелов. [48]

Во время митоза основным путем гомологичной рекомбинации для восстановления двухцепочечных разрывов ДНК, по-видимому, является путь SDSA (а не путь DSBR). [49] Путь SDSA производит некроссоверные рекомбинанты (рисунок 5). Во время мейоза некроссоверные рекомбинанты также встречаются часто, и они, по-видимому, также возникают в основном по пути SDSA. [49] [50] События некроссоверной рекомбинации, происходящие во время мейоза, вероятно, отражают случаи восстановления двухцепочечных повреждений ДНК или других типов повреждений ДНК.

Путь SSA

Кадр анимации пути SSA. Отдельная молекула двухцепочечной ДНК показана красным цветом, ориентирована горизонтально. На каждой из двух цепей ДНК показаны две фиолетовые области, указывающие на повторяющиеся последовательности ДНК, слева и справа от центра молекулы ДНК.
Рисунок 6. Рекомбинация через путь SSA происходит между двумя повторяющимися элементами (фиолетовыми) на одном дуплексе ДНК и приводит к делециям генетического материала. (Щелкните, чтобы просмотреть анимированную диаграмму в веб-браузерах Firefox , Chrome , Safari или Opera .)

Путь одноцепочечного отжига (SSA) гомологичной рекомбинации восстанавливает двухцепочечные разрывы между двумя повторяющимися последовательностями . Путь SSA уникален тем, что он не требует отдельной похожей или идентичной молекулы ДНК, как пути DSBR или SDSA гомологичной рекомбинации. Вместо этого путь SSA требует только одного дуплекса ДНК и использует повторяющиеся последовательности в качестве идентичных последовательностей, которые необходимы гомологичной рекомбинации для восстановления. Путь относительно прост по своей концепции: после того, как две нити одного и того же дуплекса ДНК разрезаются вокруг места двухцепочечного разрыва, два полученных 3'-выступа затем выравниваются и отжигаются друг с другом, восстанавливая ДНК как непрерывный дуплекс. [48] [51]

По мере того как ДНК вокруг двухцепочечного разрыва разрезается, образующиеся одноцепочечные 3'-выступы покрываются белком RPA , который предотвращает слипание 3'-выступов. [52] Затем белок, называемый Rad52, связывает каждую из последовательностей повторов по обе стороны разрыва и выравнивает их, чтобы позволить двум комплементарным последовательностям повторов отжигаться. [52] После завершения отжига оставшиеся негомологичные створки 3'-выступов отрезаются набором нуклеаз, известных как Rad1/Rad10, которые переносятся к створкам белками Saw1 и Slx4 . [52] [53] Новый синтез ДНК заполняет любые пробелы, а лигирование восстанавливает дуплекс ДНК в виде двух непрерывных цепей. [54] Последовательность ДНК между повторами всегда теряется, как и один из двух повторов. Путь SSA считается мутагенным , поскольку он приводит к таким делециям генетического материала. [48]

BIR-путь

Во время репликации ДНК , двухцепочечные разрывы иногда могут встречаться в репликационных вилках , когда ДНК-хеликаза расстегивает матричную цепь. Эти дефекты исправляются в пути репликации, вызванной разрывом (BIR) гомологичной рекомбинации. Точные молекулярные механизмы пути BIR остаются неясными. Три предложенных механизма имеют вторжение цепи в качестве начального шага, но они различаются тем, как они моделируют миграцию D-петли и более поздние фазы рекомбинации. [55]

Путь BIR также может помочь поддерживать длину теломер (областей ДНК на конце эукариотических хромосом) при отсутствии (или в сотрудничестве с) теломеразы . Без рабочих копий фермента теломеразы теломеры обычно укорачиваются с каждым циклом митоза, что в конечном итоге блокирует деление клеток и приводит к старению . В почкующихся дрожжевых клетках, где теломераза была инактивирована посредством мутаций, было замечено, что два типа «выживших» клеток избегают старения дольше, чем ожидалось, удлиняя свои теломеры посредством путей BIR. [55]

Поддержание длины теломер имеет решающее значение для иммортализации клеток , ключевой особенности рака. Большинство видов рака поддерживают теломеры путем повышения регуляции теломеразы. Однако в нескольких типах рака человека BIR-подобный путь помогает поддерживать некоторые опухоли, действуя как альтернативный механизм поддержания теломер. [56] Этот факт побудил ученых исследовать, могут ли такие основанные на рекомбинации механизмы поддержания теломер помешать действию противораковых препаратов, таких как ингибиторы теломеразы . [57]

У бактерий

Кристаллическая структура RecA, связанного с ДНК.
Рисунок 7. Кристаллическая структура белковой нити RecA , связанной с ДНК. [58] Справа от центра виден 3' - выступ.

Гомологичная рекомбинация является основным процессом репарации ДНК у бактерий. Она также важна для создания генетического разнообразия в бактериальных популяциях, хотя этот процесс существенно отличается от мейотической рекомбинации, которая восстанавливает повреждения ДНК и вносит разнообразие в эукариотические геномы . Гомологичная рекомбинация была наиболее изучена и лучше всего понята для Escherichia coli . [59] Двухцепочечные разрывы ДНК у бактерий восстанавливаются путем гомологичной рекомбинации RecBCD . Считается, что разрывы, которые происходят только на одной из двух цепей ДНК, известные как одноцепочечные разрывы, восстанавливаются путем RecF. [60] Оба пути RecBCD и RecF включают серию реакций, известных как миграция ветвей , в которой отдельные цепи ДНК обмениваются между двумя перекрещенными молекулами дуплексной ДНК, и разрешение , в которой эти две перекрещенные молекулы ДНК разрезаются и восстанавливаются до своего нормального двухцепочечного состояния.

RecBCD-путь

Рисунок 8A. Молекулярная модель пути рекомбинации RecBCD. Эта модель основана на реакциях ДНК и RecBCD с избытком АТФ по сравнению с ионами Mg2+. Шаг 1: RecBCD связывается с двухцепочечным концом ДНК. Шаг 2: RecBCD раскручивает ДНК. RecD — это быстрая геликаза на 5'-концевой цепи, а RecB — более медленная геликаза на 3'-концевой цепи (со стрелкой) [ссылка 46 в текущей версии Wiki]. Это дает два одноцепочечных (ss) хвоста ДНК и одну ss петлю. Петля и хвосты увеличиваются по мере того, как RecBCD движется вдоль ДНК. Шаг 3: Два хвоста отжигаются, образуя вторую ss петлю ДНК, и обе петли движутся и растут. Шаг 4: Достигнув последовательности горячей точки Chi (5' GCTGGTGG 3'; красная точка), RecBCD надрезает 3'-концевую цепь. Дальнейшее раскручивание производит длинный 3'-концевой ss-хвост с Chi около его конца. Шаг 5: RecBCD загружает белок RecA на Chi-хвост. В какой-то неопределенной точке субъединицы RecBCD разбираются. Шаг 6: Комплекс RecA-ssDNA вторгается в неповрежденную гомологичную дуплексную ДНК, образуя D-петлю, которая может быть разделена на неповрежденную рекомбинантную ДНК двумя способами. Шаг 7: D-петля разрезается и отжигается с разрывом в первой ДНК, образуя соединение Холлидея. Разрешение соединения Холлидея (разрезание, обмен цепями и лигирование) на открытых наконечниках стрел некоторой комбинацией RuvABC и RecG дает два рекомбинанта реципрокного типа. Шаг 8: 3'-конец Chi-хвоста запускает синтез ДНК, из которого может быть создана репликационная вилка. Разрешение развилки в открытых наконечниках стрелок производит одну рекомбинантную (нереципрокную) ДНК, одну ДНК родительского типа и один фрагмент ДНК. [61]
См. подпись.
Рисунок 8B. Начало пути RecBCD. Эта модель основана на реакциях ДНК и RecBCD с ионами Mg2 + в избытке по сравнению с АТФ. Шаг 1: RecBCD связывается с разрывом двойной цепи ДНК. Шаг 2: RecBCD инициирует раскручивание дуплекса ДНК посредством АТФ-зависимой геликазной активности. Шаг 3: RecBCD продолжает раскручивание и движется вниз по дуплексу ДНК, расщепляя 3'-цепь гораздо чаще, чем 5'-цепь. Шаг 4: RecBCD встречает последовательность Chi и прекращает переваривать 3'-цепь; расщепление 5'-цепи значительно увеличивается. Шаг 5: RecBCD загружает RecA на 3'-цепь. Шаг 6: RecBCD отсоединяется от дуплекса ДНК, оставляя нуклеопротеиновую нить RecA на 3'-хвосте. [62]

Путь RecBCD является основным путем рекомбинации, используемым во многих бактериях для восстановления двухцепочечных разрывов в ДНК, и эти белки встречаются у широкого спектра бактерий. [63] [64] [65] Эти двухцепочечные разрывы могут быть вызваны ультрафиолетовым светом и другим излучением , а также химическими мутагенами . Двухцепочечные разрывы могут также возникать при репликации ДНК через одноцепочечный надрез или зазор. Такая ситуация вызывает то, что известно как свернувшаяся репликационная вилка , и фиксируется несколькими путями гомологичной рекомбинации, включая путь RecBCD. [66]

В этом пути трехсубъединичный ферментный комплекс , называемый RecBCD, инициирует рекомбинацию, связываясь с тупым или почти тупым концом разрыва в двухцепочечной ДНК. После того, как RecBCD связывает конец ДНК, субъединицы RecB и RecD начинают расстегивать дуплекс ДНК посредством геликазной активности. Субъединица RecB также имеет домен нуклеазы , который разрезает одиночную цепь ДНК, которая появляется в процессе расстегивания. Это расстегивание продолжается до тех пор, пока RecBCD не встретит определенную нуклеотидную последовательность (5'-GCTGGTGG-3'), известную как сайт Chi . [65]

При столкновении с сайтом Chi активность фермента RecBCD резко меняется. [64] [61] [67] Раскручивание ДНК приостанавливается на несколько секунд, а затем возобновляется примерно с половиной начальной скорости. Это, вероятно, потому, что более медленная геликаза RecB раскручивает ДНК после Chi, а не более быстрая геликаза RecD, которая раскручивает ДНК до Chi. [68] [69] Распознавание сайта Chi также изменяет фермент RecBCD таким образом, что он разрезает цепь ДНК с помощью Chi и начинает загружать несколько белков RecA на одноцепочечную ДНК с вновь образованным 3'-концом. Полученная нуклеопротеиновая нить, покрытая RecA, затем ищет похожие последовательности ДНК на гомологичной хромосоме. Процесс поиска вызывает растяжение дуплекса ДНК, что усиливает распознавание гомологии (механизм, называемый конформационной корректурой [70] [71] [72] ). При обнаружении такой последовательности одноцепочечная нуклеопротеиновая нить перемещается в гомологичный дуплекс ДНК реципиента в процессе, называемом вторжением нити . [73] Вторгающийся 3'-выступ приводит к смещению одной из нитей дуплекса ДНК реципиента, образуя D-петлю. Если D-петля разрезана, еще один обмен нитями образует крестообразную структуру, называемую соединением Холлидея . [65] Разрешение соединения Холлидея некоторой комбинацией RuvABC или RecG может производить две рекомбинантные молекулы ДНК с реципрокными генетическими типами, если две взаимодействующие молекулы ДНК различаются генетически. Альтернативно, вторгающийся 3'-конец около Chi может инициировать синтез ДНК и образовывать репликационную вилку. Этот тип разрешения производит только один тип рекомбинанта (нереципрокный).

РекФ-путь

Бактерии, по-видимому, используют путь RecF гомологичной рекомбинации для восстановления одноцепочечных разрывов в ДНК. Когда путь RecBCD инактивируется мутациями, а дополнительные мутации инактивируют нуклеазы SbcCD и ExoI, путь RecF также может восстанавливать двухцепочечные разрывы ДНК. [74] В пути RecF геликаза RecQ раскручивает ДНК, а нуклеаза RecJ разрушает цепь с 5'-концом, оставляя цепь с 3'-концом нетронутой. Белок RecA связывается с этой цепью и либо поддерживается белками RecF, RecO и RecR, либо стабилизируется ими. Затем нить нуклеопротеина RecA ищет гомологичную ДНК и обменивается местами с идентичной или почти идентичной цепью в гомологичной ДНК.

Хотя белки и конкретные механизмы, задействованные в их начальных фазах, различаются, эти два пути схожи в том, что им обоим требуется одноцепочечная ДНК с 3'-концом и белок RecA для вторжения в нить. Пути также схожи в своих фазах миграции ветвей , в которой соединение Холлидея скользит в одном направлении, и разрешения , в котором соединения Холлидея расщепляются ферментами. [75] [76] Альтернативный, нереципрокный тип разрешения также может происходить по любому из путей.

Миграция филиала

Сразу после внедрения нити соединение Холлидея перемещается вдоль связанной ДНК во время процесса миграции ветвей. Именно в этом движении соединения Холлидея происходит обмен парами оснований между двумя гомологичными дуплексами ДНК. Чтобы катализировать миграцию ветвей, белок RuvA сначала распознает соединение Холлидея и связывается с ним, а затем привлекает белок RuvB для формирования комплекса RuvAB. Два набора белка RuvB, каждый из которых образует кольцевую АТФазу , загружаются на противоположные стороны соединения Холлидея, где они действуют как двойные насосы, обеспечивающие силу для миграции ветвей. Между этими двумя кольцами RuvB два набора белка RuvA собираются в центре соединения Холлидея таким образом, что ДНК в соединении оказывается зажатой между каждым набором RuvA. Нити обоих дуплексов ДНК — дуплексов «донора» и «реципиента» — раскручиваются на поверхности RuvA, поскольку они направляются белком от одного дуплекса к другому. [77] [78]

Разрешение

В фазе разрешения рекомбинации любые соединения Холлидея, образованные процессом вторжения нитей, разрезаются, тем самым восстанавливая две отдельные молекулы ДНК. Это расщепление выполняется комплексом RuvAB, взаимодействующим с RuvC, которые вместе образуют комплекс RuvABC . RuvC — это эндонуклеаза , которая разрезает вырожденную последовательность 5'-(A/T)TT(G/C)-3'. Последовательность часто встречается в ДНК, примерно один раз на каждые 64 нуклеотида. [78] Перед разрезанием RuvC, вероятно, получает доступ к соединению Холлидея, вытесняя один из двух тетрамеров RuvA, покрывающих там ДНК. [77] Рекомбинация приводит к продуктам либо «сплайсинга», либо «заплатки», в зависимости от того, как RuvC расщепляет соединение Холлидея. [78] Продукты сплайсинга являются продуктами кроссинговера, в которых происходит перестройка генетического материала вокруг места рекомбинации. С другой стороны, продукты заплатки являются некроссоверными продуктами, в которых нет такой перестройки, а в продукте рекомбинации есть только «заплатка» гибридной ДНК. [79]

Содействие генетическому переносу

Гомологичная рекомбинация является важным методом интеграции донорской ДНК в геном организма-реципиента при горизонтальном переносе генов , процессе, при котором организм включает чужеродную ДНК из другого организма, не будучи потомком этого организма. Гомологичная рекомбинация требует, чтобы входящая ДНК была очень похожа на геном реципиента, и поэтому горизонтальный перенос генов обычно ограничивается похожими бактериями. [80] Исследования нескольких видов бактерий установили, что существует логлинейное снижение частоты рекомбинации с увеличением разницы в последовательности между ДНК хозяина и реципиента. [81] [82] [83]

При бактериальной конъюгации , когда ДНК передается между бактериями посредством прямого контакта клетка-клетка, гомологичная рекомбинация помогает интегрировать чужеродную ДНК в геном хозяина через путь RecBCD. Фермент RecBCD способствует рекомбинации после того, как ДНК преобразуется из одноцепочечной ДНК — в форме, в которой она изначально попадает в бактерию — в двухцепочечную ДНК во время репликации. Путь RecBCD также необходим для заключительной фазы трансдукции , типа горизонтального переноса генов, при котором ДНК передается от одной бактерии к другой вирусом . Чужеродная бактериальная ДНК иногда неправильно включается в капсидную головку вирусных частиц бактериофага , поскольку ДНК упаковывается в новые бактериофаги во время репликации вируса. Когда эти новые бактериофаги заражают другие бактерии, ДНК из предыдущей бактерии-хозяина вводится в нового бактериального хозяина в виде двухцепочечной ДНК. Затем фермент RecBCD включает эту двухцепочечную ДНК в геном нового бактериального хозяина. [65]

Бактериальная трансформация

Естественная бактериальная трансформация включает перенос ДНК от донорной бактерии к реципиентной бактерии, где и донор, и реципиент обычно принадлежат к одному виду . Трансформация, в отличие от бактериальной конъюгации и трансдукции, зависит от многочисленных продуктов бактериальных генов, которые специфически взаимодействуют для выполнения этого процесса. [84] Таким образом, трансформация, очевидно, является бактериальной адаптацией к переносу ДНК. Для того чтобы бактерия связала, взяла и интегрировала донорскую ДНК в свою резидентную хромосому путем гомологичной рекомбинации, она должна сначала войти в особое физиологическое состояние, называемое компетентностью . Семейство генов RecA / Rad51 / DMC1 играет центральную роль в гомологичной рекомбинации во время бактериальной трансформации, как и во время эукариотического мейоза и митоза. Например, белок RecA необходим для трансформации у Bacillus subtilis и Streptococcus pneumoniae , [85] и экспрессия гена RecA индуцируется во время развития компетентности для трансформации у этих организмов.

В рамках процесса трансформации белок RecA взаимодействует с входящей одноцепочечной ДНК (ssDNA) для формирования нуклеофиламентов RecA/ssDNA, которые сканируют резидентную хромосому на наличие областей гомологии и переносят входящую одноцепочечную ДНК в соответствующую область, где происходит обмен цепями и гомологичная рекомбинация. [86] Таким образом, процесс гомологичной рекомбинации во время бактериальной трансформации имеет фундаментальное сходство с гомологичной рекомбинацией во время мейоза .

В вирусах

Гомологичная рекомбинация происходит в нескольких группах вирусов. В ДНК-вирусах, таких как вирус герпеса , рекомбинация происходит посредством механизма разрыва и повторного соединения, как у бактерий и эукариот. [87] Также имеются доказательства рекомбинации в некоторых РНК-вирусах , в частности, в вирусах одноцепочечной РНК с положительным смыслом, таких как ретровирусы , пикорнавирусы и коронавирусы . [88] Существуют разногласия по поводу того, происходит ли гомологичная рекомбинация в вирусах одноцепочечной РНК с отрицательным смыслом, таких как грипп . [89]

В РНК-вирусах гомологичная рекомбинация может быть как точной, так и неточной. В точном типе рекомбинации РНК-РНК нет никакой разницы между двумя родительскими последовательностями РНК и результирующей кроссоверной областью РНК. Из-за этого часто бывает трудно определить местоположение событий кроссинговера между двумя рекомбинирующими последовательностями РНК. В неточной гомологичной рекомбинации РНК область кроссинговера имеет некоторое отличие от родительских последовательностей РНК, вызванное добавлением, удалением или другой модификацией нуклеотидов. Уровень точности кроссинговера контролируется контекстом последовательности двух рекомбинирующих нитей РНК: последовательности, богатые аденином и урацилом, снижают точность кроссинговера. [88] [90]

Гомологичная рекомбинация важна для содействия вирусной эволюции . [88] [91] Например, если геномы двух вирусов с различными неблагоприятными мутациями подвергаются рекомбинации, то они могут быть способны регенерировать полностью функциональный геном. В качестве альтернативы, если два похожих вируса заразили одну и ту же клетку-хозяина, гомологичная рекомбинация может позволить этим двум вирусам обменять гены и тем самым развить более мощные вариации самих себя. [91]

Гомологичная рекомбинация — это предполагаемый механизм, посредством которого ДНК вируса герпеса человека-6 интегрируется в теломеры человека. [92]

Когда два или более вируса, каждый из которых содержит летальное геномное повреждение, заражают одну и ту же клетку-хозяина, геномы вирусов часто могут спариваться друг с другом и подвергаться гомологичной рекомбинационной репарации для получения жизнеспособного потомства. Этот процесс, известный как множественная реактивация, был изучен на нескольких бактериофагах , включая фаг T4 . [93] Ферменты, используемые в рекомбинационной репарации в фаге T4, функционально гомологичны ферментам, используемым в бактериальной и эукариотической рекомбинационной репарации. [94] В частности, в отношении гена, необходимого для реакции обмена цепями, ключевого шага в гомологичной рекомбинационной репарации, существует функциональная гомология от вирусов к людям (т. е. uvsX в фаге T4; recA в E. coli и других бактериях, а также rad51 и dmc1 в дрожжах и других эукариотах, включая людей). [95] Множественная реактивация также была продемонстрирована на многочисленных патогенных вирусах. [96]

Корона вирус

Коронавирусы способны к генетической рекомбинации , когда в одной и той же инфицированной клетке присутствуют по крайней мере два вирусных генома . Рекомбинация РНК , по-видимому, является основной движущей силой в определении (1) генетической изменчивости внутри вида CoV, (2) способности вида CoV переходить от одного хозяина к другому и (3) нечасто, появления новых CoV. [97] Механизм рекомбинации в CoV, вероятно, включает переключение шаблонов во время репликации генома. [97] Рекомбинация в РНК-вирусах, по-видимому, является адаптацией для преодоления повреждения генома. [98]

Весь мотив связывания рецепторов пандемического SARS-CoV-2, по-видимому, был введен посредством рекомбинации из коронавирусов панголинов . [99] Такое событие рекомбинации могло быть критическим шагом в эволюции способности SARS-CoV-2 заражать людей. [99] События рекомбинации , вероятно, являются ключевыми шагами в эволюционном процессе, который приводит к появлению новых человеческих коронавирусов. [100]

Во время пандемии COVID-19 в 2020 году во многих геномных последовательностях австралийских изолятов SARS-CoV-2 были обнаружены делеции или мутации (29742G>A или 29742G>U; «G19A» или «G19U») в мотиве типа 3′ stem-loop II (s2m) коронавируса , мотиве РНК в 3'-нетранслируемой области вирусного генома, что позволяет предположить, что в s2m SARS-CoV-2 могли произойти события рекомбинации РНК. На основе вычислительного анализа 1319 последовательностей SARS-CoV-2 в Австралии с использованием алгоритма Recco (https://recco.bioinf.mpi-inf.mpg.de/) были предсказаны точки рекомбинации 29742G("G19"), 29744G("G21") и 29751G("G28"). [101]

Схематическое изображение вторичной структуры РНК s2m, где третичные структурные взаимодействия обозначены как дальние контакты.

Вспышка SARS-CoV-2 на круизном лайнере Diamond Princess, скорее всего, произошла либо от одного человека, инфицированного вариантом вируса, идентичным изолятам WIV04 из Уханя, либо одновременно с другим первичным случаем, инфицированным вирусом, содержащим мутацию 11083G > T. Анализ неравновесия сцепления подтвердил, что рекомбинация РНК с мутацией 11083G > T также способствовала увеличению мутаций среди вирусного потомства. Результаты показывают, что мутация 11083G > T SARS-CoV-2 распространилась во время карантина на борту судна и возникла посредством рекомбинации РНК de novo под давлением положительного отбора. Кроме того, у трех пациентов в этом круизе две мутации 29736G > T и 29751G > T («G13» и «G28») были также обнаружены в мотиве Coronavirus 3′ stem-loop II-like (s2m) , поскольку «G28» был предсказан как горячие точки рекомбинации у австралийских мутантов SARS-CoV-2. Хотя s2m считается мотивом РНК, высококонсервативным среди многих видов коронавирусов, этот результат также предполагает, что s2m SARS-CoV-2 скорее является горячей точкой рекомбинации/мутации РНК. [102]

Эффекты дисфункции

Рисунок 9. Соединение одноконцевых двуцепочечных разрывов может привести к перестройкам

Без надлежащей гомологичной рекомбинации хромосомы часто неправильно выравниваются для первой фазы деления клеток в мейозе . Это приводит к тому, что хромосомы не могут правильно разделиться в процессе, называемом нерасхождением . В свою очередь, нерасхождение может привести к тому, что сперма и яйцеклетки будут иметь слишком мало или слишком много хромосом. Синдром Дауна , который вызывается дополнительной копией хромосомы 21 , является одним из многих отклонений, которые являются результатом такого нарушения гомологичной рекомбинации в мейозе. [78] [103]

Дефициты гомологичной рекомбинации тесно связаны с образованием рака у людей. Например, каждое из заболеваний, связанных с раком, синдром Блума , синдром Вернера и синдром Ротмунда–Томсона, вызвано неисправными копиями генов геликазы RecQ , участвующих в регуляции гомологичной рекомбинации: BLM , WRN и RECQL4 соответственно. [104] В клетках пациентов с синдромом Блума, у которых отсутствует рабочая копия белка BLM, наблюдается повышенная скорость гомологичной рекомбинации. [105] Эксперименты на мышах с дефицитом BLM показали, что мутация приводит к раку из-за потери гетерозиготности, вызванной повышенной гомологичной рекомбинацией. [106] Потеря гетерозиготности относится к потере одной из двух версий — или аллелей — гена. Если один из потерянных аллелей помогает подавлять опухоли, как, например, ген белка ретинобластомы , то потеря гетерозиготности может привести к раку. [107] : 1236 

Снижение скорости гомологичной рекомбинации приводит к неэффективной репарации ДНК, [107] : 310  , что также может привести к раку. [108] Это касается BRCA1 и BRCA2 , двух похожих генов-супрессоров опухолей , неисправность которых связана со значительным увеличением риска рака молочной железы и яичников . Клетки, в которых отсутствуют BRCA1 и BRCA2, имеют пониженную скорость гомологичной рекомбинации и повышенную чувствительность к ионизирующему излучению , что позволяет предположить, что снижение гомологичной рекомбинации приводит к повышенной восприимчивости к раку. [108] Поскольку единственная известная функция BRCA2 — это помощь в инициировании гомологичной рекомбинации, исследователи предположили, что более детальное знание роли BRCA2 в гомологичной рекомбинации может стать ключом к пониманию причин рака молочной железы и яичников. [108]

Опухоли с дефицитом гомологичной рекомбинации (включая дефекты BRCA) описываются как HRD-положительные. [109]

Эволюционная консервация

Графика, показывающая белки из каждого домена жизни. Каждый белок показан горизонтально, гомологичные домены на каждом белке обозначены цветом.
Рисунок 10. Белковые домены в белках, связанных с гомологичной рекомбинацией, сохраняются в трех основных группах живых организмов: археях, бактериях и эукариотах.

Хотя пути могут механически различаться, способность организмов выполнять гомологичную рекомбинацию универсально сохраняется во всех доменах жизни. [110] Основываясь на сходстве их аминокислотных последовательностей, гомологи ряда белков могут быть обнаружены во многих доменах жизни, что указывает на то, что они эволюционировали давно и с тех пор разошлись с общими предковыми белками. [110]

Члены семейства рекомбиназы RecA обнаружены почти во всех организмах: RecA — у бактерий, Rad51 и DMC1 — у эукариот, RadA — у архей , а UvsX — у фага T4 . [111]

Родственные одноцепочечные связывающие белки, которые важны для гомологичной рекомбинации и многих других процессов, также обнаружены во всех доменах жизни. [112]

Rad54, Mre11 , Rad50 и ряд других белков также обнаружены как у архей, так и у эукариот. [110] [111] [113]

Семейство рекомбиназ RecA

Белки семейства белков рекомбиназы RecA, как полагают, произошли от общей предковой рекомбиназы. [110] Семейство рекомбиназы RecA содержит белок RecA из бактерий , белки Rad51 и Dmc1 из эукариот и RadA из архей , а также паралоговые белки рекомбиназы. Исследования, моделирующие эволюционные отношения между белками Rad51, Dmc1 и RadA, указывают на то, что они являются монофилетическими или что они имеют общего молекулярного предка. [110] В этом семействе белков Rad51 и Dmc1 сгруппированы вместе в отдельную кладу от RadA. Одной из причин объединения этих трех белков вместе является то, что все они обладают модифицированным мотивом спираль-поворот-спираль , который помогает белкам связываться с ДНК по направлению к их N-концам . [110] Древнее событие дупликации гена эукариотического RecA и последующая мутация были предложены в качестве вероятного источника современных генов RAD51 и DMC1. [110]

Белки обычно разделяют длинную консервативную область , известную как домен RecA/Rad51. Внутри этого домена белка есть два мотива последовательности , мотив Walker A и мотив Walker B. Мотивы Walker A и B позволяют членам семейства белков RecA/Rad51 участвовать в связывании АТФ и гидролизе АТФ . [110] [114]

Белки, специфичные для мейоза

Открытие Dmc1 у нескольких видов Giardia , одного из самых ранних простейших, отделившихся как эукариоты, предполагает, что мейотическая гомологичная рекомбинация — и, следовательно, сам мейоз — возникли очень рано в эволюции эукариот. [115] В дополнение к исследованиям Dmc1, исследования белка Spo11 предоставили информацию о происхождении мейотической рекомбинации. [116] Spo11, топоизомераза типа II , может инициировать гомологичную рекомбинацию в мейозе, делая целевые двухцепочечные разрывы в ДНК. [25] Филогенетические деревья, основанные на последовательности генов, похожих на SPO11 у животных, грибов, растений, простейших и архей, привели ученых к мысли, что версия Spo11, которая в настоящее время присутствует у эукариот, возникла у последнего общего предка эукариот и архей. [116]

Технологические приложения

Генное таргетирование

Справа изображена мышь с белой шерстью с коричневыми пятнами, а слева — две коричневые мыши поменьше.
Рисунок 11. В качестве развивающегося эмбриона эта химерная мышь имела ген окраса шерсти агути, введенный в ее ДНК посредством генного таргетирования. Ее потомство гомозиготно по гену агути.

Многие методы введения последовательностей ДНК в организмы для создания рекомбинантной ДНК и генетически модифицированных организмов используют процесс гомологичной рекомбинации. [117] Также называемый нацеливанием генов , этот метод особенно распространен в генетике дрожжей и мышей . Метод нацеливания генов у нокаутированных мышей использует эмбриональные стволовые клетки мыши для доставки искусственного генетического материала (в основном терапевтического интереса), который подавляет целевой ген мыши по принципу гомологичной рекомбинации. Таким образом, мышь выступает в качестве рабочей модели для понимания эффектов определенного гена млекопитающего. В знак признания их открытия того, как гомологичная рекомбинация может быть использована для введения генетических модификаций у мышей через эмбриональные стволовые клетки, Марио Капеччи , Мартин Эванс и Оливер Смитис были награждены Нобелевской премией по физиологии и медицине 2007 года . [118]

Достижения в технологиях генного таргетирования, которые захватывают механику гомологичной рекомбинации клеток, теперь ведут к разработке новой волны более точных изогенных моделей человеческих заболеваний . Считается, что эти сконструированные модели человеческих клеток точнее отражают генетику человеческих заболеваний, чем их предшественники на основе мышиных моделей. Это во многом объясняется тем, что интересующие мутации вводятся в эндогенные гены, так же, как они происходят у реальных пациентов, и тем, что они основаны на человеческих геномах, а не на крысиных. Кроме того, определенные технологии позволяют вводить определенную мутацию, а не просто выключать ее, как это было со старыми технологиями генного таргетирования.

Белковая инженерия

Белковая инженерия с гомологичной рекомбинацией разрабатывает химерные белки путем обмена фрагментами между двумя родительскими белками. Эти методы используют тот факт, что рекомбинация может вносить высокую степень разнообразия последовательностей , сохраняя при этом способность белка складываться в его третичную структуру или трехмерную форму. [119] Это контрастирует с другими методами белковой инженерии, такими как случайный точечный мутагенез , в котором вероятность сохранения функции белка экспоненциально снижается с увеличением замены аминокислот . [120] Химеры, полученные с помощью методов рекомбинации, способны сохранять свою способность к складыванию, поскольку их замененные родительские фрагменты структурно и эволюционно консервативны. Эти рекомбинируемые «строительные блоки» сохраняют структурно важные взаимодействия, такие как точки физического контакта между различными аминокислотами в структуре белка. Вычислительные методы, такие как SCHEMA и статистический анализ сопряжения, могут использоваться для идентификации структурных субъединиц, подходящих для рекомбинации. [121] [122] [123]

Методы, основанные на гомологичной рекомбинации, использовались для разработки новых белков. [121] В исследовании, опубликованном в 2007 году, исследователи смогли создать химеры двух ферментов, участвующих в биосинтезе изопреноидов , разнообразного класса соединений, включая гормоны , зрительные пигменты и определенные феромоны . Химерные белки приобрели способность катализировать важную реакцию в биосинтезе изопреноидов — одном из самых разнообразных путей биосинтеза , обнаруженных в природе, — которая отсутствовала в родительских белках. [124] Белковая инженерия посредством рекомбинации также произвела химерные ферменты с новой функцией в членах группы белков, известных как семейство цитохромов P450 , [125] которое у людей участвует в детоксикации чужеродных соединений, таких как лекарства, пищевые добавки и консерванты. [22]

Терапия рака

Клетки рака с гомологичной рекомбинацией (HRP) способны восстанавливать повреждения ДНК, вызванные химиотерапией, такой как цисплатин. Таким образом, рак HRP трудно поддается лечению. Исследования показывают, что гомологичную рекомбинацию можно нацеливать с помощью ингибирования c-Abl. [126] [127] Раковые клетки с мутациями BRCA имеют дефицит гомологичной рекомбинации, и препараты для использования этих дефицитов были разработаны и успешно использовались в клинических испытаниях. [128] [129] Олапариб , ингибитор PARP1, уменьшил или остановил рост опухолей рака молочной железы , яичников и простаты, вызванных мутациями в генах BRCA1 или BRCA2 , которые необходимы для HR. Когда BRCA1 или BRCA2 отсутствуют, другие типы механизмов репарации ДНК должны компенсировать дефицит HR, такие как репарация с удалением оснований (BER) для остановившихся репликативных вилок или негомологичное соединение концов (NHEJ) для двухцепочечных разрывов. [128] Ингибируя BER в клетке с дефицитом HR, олапариб применяет концепцию синтетической летальности для специфического воздействия на раковые клетки. Хотя ингибиторы PARP1 представляют собой новый подход к терапии рака, исследователи предупредили, что они могут оказаться недостаточными для лечения метастатического рака на поздней стадии. [128] Раковые клетки могут стать устойчивыми к ингибитору PARP1, если они подвергаются делециям мутаций в BRCA2, что подрывает синтетическую летальность препарата за счет восстановления способности раковых клеток восстанавливать ДНК с помощью HR. [130]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Томпсон Л. Х., Шильд Д. (июнь 2001 г.). «Гомологичная рекомбинационная репарация ДНК обеспечивает стабильность хромосом млекопитающих». Mutation Research . 477 (1–2): 131–53. doi :10.1016/S0027-5107(01)00115-4. PMID  11376695.
  2. ^ Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К., Уолтер П. и др. (2002). «Глава 5: Репликация, репарация и рекомбинация ДНК». Молекулярная биология клетки (4-е изд.). Нью-Йорк: Garland Science. стр. 845. ISBN 978-0-8153-3218-3. OCLC  145080076.
  3. ^ Capecchi MR (июнь 1989). «Изменение генома путем гомологичной рекомбинации». Science . 244 (4910): 1288–92. Bibcode :1989Sci...244.1288C. doi :10.1126/science.2660260. PMID  2660260.
  4. ^ Смитис О, Грегг РГ, Боггс СС, Коралевски МА, Кучерлапати РС (1985-09-19). «Вставка последовательностей ДНК в локус бета-глобина человеческой хромосомы путем гомологичной рекомбинации». Nature . 317 (6034): 230–4. Bibcode :1985Natur.317..230S. doi :10.1038/317230a0. PMID  2995814. S2CID  30212766.
  5. ^ Orr-Weaver TL, Szostak JW, Rothstein RJ (октябрь 1981 г.). «Трансформация дрожжей: модельная система для изучения рекомбинации». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 78 (10): 6354–8. Bibcode :1981PNAS...78.6354O. doi : 10.1073/pnas.78.10.6354 . PMC 349037 . PMID  6273866. 
  6. ^ Orr-Weaver TL, Szostak JW (июль 1983). "Рекомбинация дрожжей: связь между репарацией двухцепочечных разрывов и кроссинговером". Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 80 (14): 4417–21. Bibcode :1983PNAS...80.4417O. doi : 10.1073/pnas.80.14.4417 . PMC 384049 . PMID  6308623. 
  7. ^ ab Szostak JW, Orr-Weaver TL, Rothstein RJ, 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.
  8. ^ 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.
  9. ^ Jasin M, Rothstein R (ноябрь 2013 г.). «Репарация разрывов нитей путем гомологичной рекомбинации». Cold Spring Harbor Perspectives in Biology . 5 (11): a012740. doi :10.1101/cshperspect.a012740. PMC 3809576. PMID  24097900 . 
  10. ^ Bateson P (август 2002 г.). «Уильям Бейтсон: биолог, опередивший свое время» (PDF) . Journal of Genetics . 81 (2): 49–58. doi :10.1007/BF02715900. PMID  12532036. S2CID  26806110.
  11. ^ "Реджинальд Крандалл Паннетт". NAHSTE, Эдинбургский университет . Получено 3 июля 2010 г.
  12. ^ Лобо И, Шоу К (2008). "Томас Хант Морган, генетическая рекомбинация и картирование генов". Nature Education . 1 (1).
  13. ^ ab Coe E, Kass LB (май 2005 г.). «Доказательство физического обмена генами на хромосомах». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 102 (19): 6641–6. Bibcode : 2005PNAS..102.6641C. doi : 10.1073/pnas.0407340102 . PMC 1100733. PMID  15867161 . 
  14. ^ Creighton HB, McClintock B (август 1931 г.). «Корреляция цитологического и генетического кроссинговера у Zea Mays». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 17 (8): 492–7. Bibcode : 1931PNAS...17..492C. doi : 10.1073/pnas.17.8.492 . PMC 1076098. PMID 16587654  . 
  15. ^ Стерн, К. (1931). «Zytologisch-genetische untersuchungen alsbeweise Fur die Morgansche Theorie des Faktoraustauschs». Биологический центральный блат . 51 : 547–587.
  16. ^ "Развитие бактериальной генетики". Национальная медицинская библиотека США . Получено 3 июля 2010 г.
  17. ^ "Нобелевская премия по физиологии и медицине 1958 года". Nobelprize.org . Получено 3 июля 2010 г. .
  18. ^ abc Haber JE, Ira G, Malkova A, Sugawara N (январь 2004 г.). «Исправление разрыва двухцепочечной хромосомы с помощью гомологичной рекомбинации: пересмотр модели Робина Холлидея». Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Серия B, Биологические науки . 359 (1441): 79–86. doi :10.1098/rstb.2003.1367. PMC 1693306. PMID  15065659 . 
  19. ^ Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J (2000). "12.5: Рекомбинация между гомологичными участками ДНК: двухцепочечные разрывы в ДНК инициируют рекомбинацию". Молекулярная клеточная биология (4-е изд.). WH Freeman and Company. ISBN 978-0-7167-3136-8.
  20. ^ Гриффитс А. и др. (1999). "8: Хромосомные мутации: хромосомные перестройки". Современный генетический анализ. WH Freeman and Company. ISBN 978-0-7167-3118-4.
  21. ^ Ханна КК, Джексон СП (март 2001 г.). «Двухцепочечные разрывы ДНК: сигнализация, восстановление и связь с раком». Nature Genetics . 27 (3): 247–54. doi :10.1038/85798. PMID  11242102. S2CID  3012823.
  22. ^ abc Nelson DL, Cox MM (2005). Principles of Biochemistry (4-е изд.). Freeman. стр. 980–981. ISBN 978-0-7167-4339-2.
  23. ^ Marcon E, Moens PB (август 2005 г.). «Эволюция мейоза: набор и модификация соматических белков репарации ДНК». BioEssays . 27 (8): 795–808. doi :10.1002/bies.20264. PMID  16015600. S2CID  27658497.
  24. ^ Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К., Уолтер П. (2008). Молекулярная биология клетки (5-е изд.). Garland Science. стр. 305. ISBN 978-0-8153-4105-5.
  25. ^ ab Keeney S, Giroux CN, Kleckner N (февраль 1997 г.). «Мейоз-специфические двухцепочечные разрывы ДНК катализируются Spo11, членом широко распространенного семейства белков». Cell . 88 (3): 375–84. doi : 10.1016/S0092-8674(00)81876-0 . PMID  9039264. S2CID  8294596.
  26. ^ Longhese MP, Bonetti D, Guerini I, Manfrini N, Clerici M (сентябрь 2009 г.). «Двухцепочечные разрывы ДНК в мейозе: проверка их образования, обработки и ремонта». DNA Repair . 8 (9): 1127–38. doi :10.1016/j.dnarep.2009.04.005. PMID  19464965.
  27. ^ Cahill LP, Mariana JC, Mauléon P (январь 1979). «Общие популяции фолликулов у овец с высокой и низкой частотой овуляции». Journal of Reproduction and Fertility . 55 (1): 27–36. doi : 10.1530/jrf.0.0550027 . PMID  423159.
  28. ^ Schimmel J, van Schendel R, den Dunnen JT, Tijsterman M (сентябрь 2019 г.). «Шаблонные вставки: неопровержимое доказательство для полимеразного тета-опосредованного соединения концов» . Тенденции в генетике . 35 (9): 632–644. doi :10.1016/j.tig.2019.06.001. PMID  31296341. S2CID  195892718.
  29. ^ Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К., Уолтер П. (2008). Молекулярная биология клетки (5-е изд.). Garland Science. стр. 303. ISBN 978-0-8153-4105-5.
  30. ^ ab Shrivastav M, De Haro LP, Nickoloff JA (январь 2008 г.). «Регулирование выбора пути восстановления двухцепочечных разрывов ДНК». Cell Research . 18 (1): 134–47. doi : 10.1038/cr.2007.111 . PMID  18157161.
  31. ^ ab Mimitou EP, Symington LS (май 2009). «Нуклеазы и геликазы занимают центральное место в гомологичной рекомбинации». Trends in Biochemical Sciences . 34 (5): 264–72. doi :10.1016/j.tibs.2009.01.010. PMID  19375328.
  32. ^ Андрес, Сара Н.; Уильямс, Р. Скотт (август 2017 г.). «CtIP/Ctp1/Sae2, молекулярная форма, подходящая для функции». Ремонт ДНК . 56 : 109–117. doi :10.1016/j.dnarep.2017.06.013. PMC 5543718. PMID 28623092  . 
  33. ^ Huertas P, Cortés-Ledesma F, Sartori AA, Aguilera A, Jackson SP (октябрь 2008 г.). «CDK нацеливает Sae2 на контроль резекции концов ДНК и гомологичной рекомбинации». Nature . 455 (7213): 689–92. Bibcode :2008Natur.455..689H. doi :10.1038/nature07215. PMC 2635538 ​​. PMID  18716619. 
  34. ^ Лю Б., Ип РК., Чжоу З. (2012). «Ремоделирование хроматина, восстановление повреждений ДНК и старение». Curr. Genomics . 13 (7): 533–47. doi :10.2174/138920212803251373. PMC 3468886. PMID  23633913 . 
  35. ^ abcd Sellou H, Lebeaupin T, Chapuis C, Smith R, Hegele A, Singh HR, Kozlowski M, Bultmann S, Ladurner AG, Timinszky G, Huet S (2016). «Поли(АДФ-рибоза)-зависимый ремоделер хроматина Alc1 вызывает локальную релаксацию хроматина при повреждении ДНК». Mol. Biol. Cell . 27 (24): 3791–3799. doi :10.1091/mbc.E16-05-0269. PMC 5170603. PMID  27733626 . 
  36. ^ ab Van Meter M, Simon M, Tombline G, May A, Morello TD, Hubbard BP, Bredbenner K, Park R, Sinclair DA, Bohr VA, Gorbunova V, Seluanov A (2016). "JNK фосфорилирует SIRT6 для стимуляции восстановления двухцепочечных разрывов ДНК в ответ на окислительный стресс путем привлечения PARP1 к разрывам ДНК". Cell Rep . 16 (10): 2641–50. doi :10.1016/j.celrep.2016.08.006. PMC 5089070. PMID  27568560 . 
  37. ^ ab Haince JF, McDonald D, Rodrigue A, Déry U, Masson JY, Hendzel MJ, Poirier GG (2008). "PARP1-зависимая кинетика рекрутирования белков MRE11 и NBS1 в множественные сайты повреждения ДНК". J. Biol. Chem . 283 (2): 1197–208. doi : 10.1074/jbc.M706734200 . PMID  18025084.
  38. ^ abc Rogakou EP, Pilch DR, Orr AH, Ivanova VS, Bonner WM (1998). «Двухцепочечные разрывы ДНК вызывают фосфорилирование гистона H2AX по серину 139». J. Biol. Chem . 273 (10): 5858–68. doi : 10.1074/jbc.273.10.5858 . PMID  9488723.
  39. ^ Mailand N, Bekker-Jensen S, Faustrup H, Melander F, Bartek J, Lukas C, Lukas J (2007). "RNF8 убиквитилирует гистоны при двухцепочечных разрывах ДНК и способствует сборке репарационных белков". Cell . 131 (5): 887–900. doi : 10.1016/j.cell.2007.09.040 . PMID  18001824. S2CID  14232192.
  40. ^ Луистербург М.С., Акс К., Акерманн Л., Вигант В.В., Беккер-Йенсен С., Ларсен Д.Х., Ханна К.К., ван Аттикум Х., Майланд Н., Дантума Н.П. (2012). «Новая некаталитическая роль убиквитинлигазы RNF8 в развертывании структуры хроматина высшего порядка». ЭМБО Дж . 31 (11): 2511–27. дои : 10.1038/emboj.2012.104. ПМЦ 3365417 . ПМИД  22531782. 
  41. ^ Baudat F, Buard J, Grey C, Fledel-Alon A, Ober C, Przeworski M и др. (февраль 2010 г.). «PRDM9 — главный детерминант горячих точек мейотической рекомбинации у людей и мышей». Science . 327 (5967): 836–40. Bibcode :2010Sci...327..836B. doi :10.1126/science.1183439. PMC 4295902 . PMID  20044539. 
  42. ^ Уэллс Д., Битун Э., Моралли Д., Чжан Г., Хинч А., Янковска Дж. и др. (август 2020 г.). «ZCWPW1 привлекается к точкам рекомбинации с помощью PRDM9 и необходим для репарации мейотических двухцепочечных разрывов». eLife . 9 : e53392. doi : 10.7554/eLife.53392 . PMC 7494361 . PMID  32744506. 
  43. ^ abcd Sung P, Klein H (октябрь 2006 г.). «Механизм гомологичной рекомбинации: медиаторы и геликазы берут на себя регуляторные функции». Nature Reviews Molecular Cell Biology . 7 (10): 739–50. doi :10.1038/nrm2008. PMID  16926856. S2CID  30324005.
  44. ^ Wold MS (1997). «Репликационный белок A: гетеротримерный, одноцепочечный ДНК-связывающий белок, необходимый для метаболизма эукариотической ДНК». Annual Review of Biochemistry . 66 : 61–92. doi :10.1146/annurev.biochem.66.1.61. PMID  9242902.
  45. ^ 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 .  Значок открытого доступа
  46. ^ Bärtsch S, Kang LE, Symington LS (февраль 2000 г.). «RAD51 требуется для восстановления разрывов двухцепочечной ДНК плазмиды из плазмидных или хромосомных матриц». Молекулярная и клеточная биология . 20 (4): 1194–205. doi :10.1128/MCB.20.4.1194-1205.2000. PMC 85244. PMID  10648605 . 
  47. ^ Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К., Уолтер П. (2008). Молекулярная биология клетки (5-е изд.). Garland Science. стр. 312–313. ISBN 978-0-8153-4105-5.
  48. ^ abc 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.
  49. ^ ab Andersen SL, Sekelsky J (декабрь 2010 г.). «Мейотическая рекомбинация против митотической: два разных пути репарации двухцепочечных разрывов: разные функции мейотической и митотической репарации DSB отражаются в разном использовании путей и разных результатах». BioEssays . 32 (12): 1058–66. doi :10.1002/bies.201000087. PMC 3090628 . PMID  20967781. 
  50. ^ 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. S2CID  1878863.
  51. ^ Haber lab. "Single-strand annealing". Brandeis University. Архивировано из оригинала 19 января 2015 года . Получено 3 июля 2010 года .
  52. ^ abc Lyndaker AM, Alani E (март 2009 г.). «Рассказ о хвостах: понимание координации обработки 3'-конца во время гомологичной рекомбинации». BioEssays . 31 (3): 315–21. doi :10.1002/bies.200800195. PMC 2958051 . PMID  19260026. 
  53. ^ Mimitou EP, Symington LS (сентябрь 2009 г.). «Резекция конца ДНК: множество нуклеаз облегчают работу». DNA Repair . 8 (9): 983–95. doi :10.1016/j.dnarep.2009.04.017. PMC 2760233. PMID  19473888 . 
  54. ^ Пакес Ф., Хабер Дж. Э. (июнь 1999 г.). «Множественные пути рекомбинации , вызванные двухцепочечными разрывами в Saccharomyces cerevisiae». Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 63 (2): 349–404. doi :10.1128/MMBR.63.2.349-404.1999. PMC 98970. PMID  10357855. 
  55. ^ ab McEachern MJ, Haber JE (2006). «Репликация, вызванная разрывом, и рекомбинационное удлинение теломер у дрожжей». Annual Review of Biochemistry . 75 : 111–35. doi : 10.1146/annurev.biochem.74.082803.133234. PMID  16756487.
  56. ^ Morrish TA, Greider CW (январь 2009 г.). Haber JE (ред.). «Короткие теломеры инициируют рекомбинацию теломер в первичных и опухолевых клетках». PLOS Genetics . 5 (1): e1000357. doi : 10.1371/journal.pgen.1000357 . PMC 2627939. PMID  19180191 .  Значок открытого доступа
  57. ^ Muntoni A, Reddel RR (октябрь 2005 г.). «Первые молекулярные подробности ALT в опухолевых клетках человека». Human Molecular Genetics . 14 Spec No. 2 (Review Issue 2): R191–6. doi :10.1093/hmg/ddi266. PMID  16244317.
  58. ^ PDB : 3cmt ​; Chen Z, Yang H, Pavletich NP (май 2008). "Механизм гомологичной рекомбинации из структур RecA-ssDNA/dsDNA". Nature . 453 (7194): 489–4. Bibcode :2008Natur.453..489C. doi :10.1038/nature06971. PMID  18497818. S2CID  4416531.
  59. ^ Kowalczykowski SC, Dixon DA, Eggleston AK, Lauder SD, Rehrauer WM (сентябрь 1994 г.). «Биохимия гомологичной рекомбинации в Escherichia coli». Microbiological Reviews . 58 (3): 401–65. doi :10.1128/MMBR.58.3.401-465.1994. PMC 372975 . PMID  7968921. 
  60. ^ Rocha EP, Cornet E, Michel B (август 2005 г.). «Сравнительный и эволюционный анализ систем гомологичной рекомбинации бактерий». PLOS Genetics . 1 (2): e15. doi : 10.1371/journal.pgen.0010015 . PMC 1193525. PMID  16132081 .  Значок открытого доступа
  61. ^ ab Amundsen SK, Taylor AF, Reddy M, Smith GR (декабрь 2007 г.). «Межсубъединичная сигнализация в ферменте RecBCD, сложной белковой машине, регулируемой горячими точками Chi». Genes & Development . 21 (24): 3296–307. doi :10.1101/gad.1605807. PMC 2113030 . PMID  18079176. 
  62. ^ Singleton MR, Dillingham MS, Gaudier M, Kowalczykowski SC, Wigley DB (ноябрь 2004 г.). «Кристаллическая структура фермента RecBCD раскрывает машину для обработки разрывов ДНК» (PDF) . Nature . 432 (7014): 187–93. Bibcode :2004Natur.432..187S. doi :10.1038/nature02988. PMID  15538360. S2CID  2916995. Архивировано из оригинала (PDF) 2004-05-25.
  63. ^ Cromie GA (август 2009). «Филогенетическая повсеместность и перетасовка бактериальных комплексов рекомбинации RecBCD и AddAB». Журнал бактериологии . 191 (16): 5076–84. doi :10.1128/JB.00254-09. PMC 2725590. PMID  19542287 . 
  64. ^ ab Smith GR (июнь 2012 г.). «Как фермент RecBCD и Chi способствуют восстановлению и рекомбинации разрывов ДНК: взгляд молекулярного биолога». Microbiology and Molecular Biology Reviews . 76 (2): 217–28. doi :10.1128/MMBR.05026-11. PMC 3372252 . PMID  22688812. 
  65. ^ abcd Dillingham MS, Kowalczykowski SC (декабрь 2008 г.). «Фермент RecBCD и восстановление двухцепочечных разрывов ДНК». Microbiology and Molecular Biology Reviews . 72 (4): 642–71, Содержание. doi :10.1128/MMBR.00020-08. PMC 2593567. PMID  19052323 . 
  66. ^ Мишель Б., Бубакри Х., Бахароглу З., ЛеМассон М., Лестини Р. (июль 2007 г.). «Рекомбинационные белки и спасение арестованных репликативных вилок». Ремонт ДНК . 6 (7): 967–80. doi :10.1016/j.dnarep.2007.02.016. PMID  17395553.
  67. ^ Spies M, Bianco PR, Dillingham MS, Handa N, Baskin RJ, Kowalczykowski SC (сентябрь 2003 г.). «Молекулярный дроссель: хи-точка рекомбинации контролирует транслокацию ДНК с помощью геликазы RecBCD». Cell . 114 (5): 647–54. doi : 10.1016/S0092-8674(03)00681-0 . PMID  13678587. S2CID  16662983.
  68. ^ Taylor AF, Smith GR (июнь 2003 г.). «Фермент RecBCD — это ДНК-хеликаза с быстрыми и медленными моторами противоположной полярности». Nature . 423 (6942): 889–93. Bibcode :2003Natur.423..889T. doi :10.1038/nature01674. PMID  12815437. S2CID  4302346.
  69. ^ Spies M, Amitani I, Baskin RJ, Kowalczykowski SC (ноябрь 2007 г.). «Фермент RecBCD переключает ведущие моторные субъединицы в ответ на распознавание chi». Cell . 131 (4): 694–705. doi :10.1016/j.cell.2007.09.023. PMC 2151923 . PMID  18022364. 
  70. ^ Savir Y, Tlusty T (ноябрь 2010 г.). "RecA-опосредованный поиск гомологии как почти оптимальная система обнаружения сигнала" (PDF) . Molecular Cell . 40 (3): 388–96. arXiv : 1011.4382 . Bibcode :2010arXiv1011.4382S. doi :10.1016/j.molcel.2010.10.020. PMID  21070965. S2CID  1682936. Архивировано из оригинала (PDF) 2012-10-07 . Получено 2011-08-31 .
  71. ^ Rambo RP, Williams GJ, Tainer JA (ноябрь 2010 г.). «Достижение точности гомологичной рекомбинации, несмотря на чрезвычайную сложность: обоснованные решения с помощью молекулярного профилирования» (PDF) . Molecular Cell . 40 (3): 347–8. doi :10.1016/j.molcel.2010.10.032. PMC 3003302 . PMID  21070960. Архивировано из оригинала (PDF) 2012-10-07 . Получено 2011-08-31 . 
  72. ^ De Vlaminck I, van Loenhout MT, Zweifel L, den Blanken J, Hooning K, Hage S и др. (июнь 2012 г.). «Механизм распознавания гомологии при рекомбинации ДНК из экспериментов с двумя молекулами». Molecular Cell . 46 (5): 616–24. doi : 10.1016/j.molcel.2012.03.029 . PMID  22560720.
  73. ^ Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К., Уолтер П. (2008). Молекулярная биология клетки (5-е изд.). Garland Science. стр. 307. ISBN 978-0-8153-4105-5.
  74. ^ Morimatsu K, Kowalczykowski SC (май 2003 г.). «RecFOR-белки загружают белок RecA на разрыв ДНК для ускорения обмена цепями ДНК: универсальный шаг рекомбинационной репарации». Molecular Cell . 11 (5): 1337–47. doi : 10.1016/S1097-2765(03)00188-6 . PMID  12769856.
  75. ^ Hiom K (июль 2009 г.). «Репарация ДНК: общие подходы к исправлению двухцепочечных разрывов». Current Biology . 19 (13): R523–5. doi : 10.1016/j.cub.2009.06.009 . PMID  19602417. S2CID  2221866.
  76. ^ Handa N, Morimatsu K, Lovett ST, Kowalczykowski SC (май 2009 г.). «Восстановление начальных этапов восстановления разрывов dsDNA с помощью пути RecF E. coli». Genes & Development . 23 (10): 1234–45. doi :10.1101/gad.1780709. PMC 2685532 . PMID  19451222. 
  77. ^ ab West SC (июнь 2003 г.). «Молекулярные представления о рекомбинационных белках и их контроле». Nature Reviews Molecular Cell Biology . 4 (6): 435–45. doi :10.1038/nrm1127. PMID  12778123. S2CID  28474965.
  78. ^ abcd Watson JD, Baker TA, Bell SP, Gann A, Levine M, Losick R (2003). Молекулярная биология гена (5-е изд.). Pearson/Benjamin Cummings. стр. 259–291. ISBN 978-0-8053-4635-0.
  79. ^ Gumbiner-Russo LM, Rosenberg SM (28 ноября 2007 г.). Sandler S (ред.). "Физический анализ продуктов гетеродуплексной рекомбинации E. coli in vivo: о распространенности 5' и 3' участков". PLOS ONE . ​​2 (11): e1242. Bibcode :2007PLoSO...2.1242G. doi : 10.1371/journal.pone.0001242 . PMC 2082072 . PMID  18043749.  Значок открытого доступа
  80. ^ Thomas CM, Nielsen KM (сентябрь 2005 г.). «Механизмы и барьеры горизонтального переноса генов между бактериями» (PDF) . Nature Reviews. Microbiology . 3 (9): 711–21. doi :10.1038/nrmicro1234. PMID  16138099. S2CID  1231127. Архивировано из оригинала (PDF) 2010-06-01.
  81. ^ Vulić M, Dionisio F, Taddei F, Radman M (сентябрь 1997 г.). «Молекулярные ключи к видообразованию: полиморфизм ДНК и контроль генетического обмена у энтеробактерий». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 94 (18): 9763–7. Bibcode : 1997PNAS...94.9763V. doi : 10.1073/pnas.94.18.9763 . PMC 23264. PMID  9275198 . 
  82. ^ Majewski J, Cohan FM (январь 1998). «Влияние репарации несоответствий и образования гетеродуплексов на половую изоляцию у Bacillus». Genetics . 148 (1): 13–8. doi :10.1093/genetics/148.1.13. PMC 1459767 . PMID  9475717. 
  83. ^ Majewski J, Zawadzki P, Pickerill P, Cohan FM, Dowson CG (февраль 2000 г.). «Барьеры генетического обмена между бактериальными видами: трансформация Streptococcus pneumoniae». Журнал бактериологии . 182 (4): 1016–23. doi :10.1128/JB.182.4.1016-1023.2000. PMC 94378. PMID 10648528  . 
  84. ^ Чен И, Дубнау Д (март 2004). «Поглощение ДНК во время бактериальной трансформации». Nature Reviews. Microbiology . 2 (3): 241–9. doi :10.1038/nrmicro844. PMID  15083159. S2CID  205499369.
  85. ^ Claverys JP, Martin B, Polard P (май 2009). «Генетическая машина трансформации: состав, локализация и механизм». FEMS Microbiology Reviews . 33 (3): 643–56. doi :10.1111/j.1574-6976.2009.00164.x. PMID  19228200.
  86. ^ Кидане Д., Грауманн ПЛ (июль 2005 г.). «Внутриклеточная динамика белков и ДНК в компетентных клетках Bacillus subtilis». Cell . 122 (1): 73–84. doi : 10.1016/j.cell.2005.04.036 . PMID  16009134. S2CID  17272331.
  87. ^ Fleischmann Jr WR (1996). "43". Медицинская микробиология (4-е изд.). Медицинское отделение Техасского университета в Галвестоне. ISBN 978-0-9631172-1-2.
  88. ^ abc Nagy PD, Bujarski JJ (январь 1996 г.). «Гомологичная рекомбинация РНК в вирусе мозаики костра: последовательности, богатые AU , снижают точность кроссинговеров». Журнал вирусологии . 70 (1): 415–26. doi :10.1128/JVI.70.1.415-426.1996. PMC 189831. PMID  8523555. 
  89. ^ Boni MF, de Jong MD, van Doorn HR, Holmes EC (3 мая 2010 г.). Martin DP (ред.). «Руководство по идентификации событий гомологичной рекомбинации в вирусе гриппа А». PLOS ONE . ​​5 (5): e10434. Bibcode :2010PLoSO...510434B. doi : 10.1371/journal.pone.0010434 . PMC 2862710 . PMID  20454662.  Значок открытого доступа
  90. ^ Четверин AB (октябрь 1999). "Загадка рекомбинации РНК". FEBS Letters . 460 (1): 1–5. doi :10.1016/S0014-5793(99)01282-X. PMC 7163957. PMID  10571050 . 
  91. ^ ab Roossinck MJ (сентябрь 1997 г.). «Механизмы эволюции вирусов растений». Annual Review of Phytopathology . 35 : 191–209. doi :10.1146/annurev.phyto.35.1.191. PMID  15012521.
  92. ^ Arbuckle JH, Medveczky PG (август 2011 г.). «Молекулярная биология латентности вируса герпеса человека-6 и интеграции теломер». Микробы и инфекции / Институт Пастера . 13 (8–9): 731–41. doi :10.1016/j.micinf.2011.03.006. PMC 3130849. PMID 21458587  . 
  93. ^ Бернстайн С (март 1981). «Репарация дезоксирибонуклеиновой кислоты в бактериофаге». Microbiological Reviews . 45 (1): 72–98. doi :10.1128/MMBR.45.1.72-98.1981. PMC 281499 . PMID  6261109. 
  94. ^ Бернстайн К, Бернстайн Х (2001). Репарация ДНК в бактериофаге. В: Nickoloff JA, Hoekstra MF (Eds.) Повреждение и репарация ДНК, т. 3. Advances from Phage to Humans. Humana Press, Totowa, NJ, стр. 1–19. ISBN 978-0896038035 
  95. ^ Story RM, Bishop DK, Kleckner N, Steitz TA (март 1993). «Структурная связь бактериальных белков RecA с рекомбинационными белками бактериофага T4 и дрожжей». Science . 259 (5103): 1892–6. Bibcode :1993Sci...259.1892S. doi :10.1126/science.8456313. PMID  8456313.
  96. ^ Michod RE, Bernstein H, Nedelcu AM (май 2008 г.). «Адаптивное значение пола у микробных патогенов». Инфекция, генетика и эволюция . 8 (3): 267–85. doi :10.1016/j.meegid.2008.01.002. PMID  18295550.http://www.hummingbirds.arizona.edu/Faculty/Michod/Downloads/IGE%20review%20sex.pdf Архивировано 16.05.2017 на Wayback Machine
  97. ^ ab Su, Shuo; Wong, Gary; Shi, Weifeng; Liu, Jun; Lai, Alexander CK; Zhou, Jiyong; Liu, Wenjun; Bi, Yuhai; Gao, George F. (2016). «Эпидемиология, генетическая рекомбинация и патогенез коронавирусов». Trends in Microbiology . 24 (6): 490–502. doi : 10.1016/j.tim.2016.03.003 . PMC 7125511. PMID  27012512. 
  98. ^ Барр, Дж. Н.; Фирнс, Р. (2010). «Как РНК-вирусы поддерживают целостность своего генома». Журнал общей вирусологии . 91 (6): 1373–1387. doi : 10.1099/vir.0.020818-0 . PMID  20335491.
  99. ^ ab Ли, Сяоцзюнь; Джорджи, Елена Э.; Маричаннегоуда, Манукумар Хоннаяканахалли; Фоли, Брайан; Сяо, Чуань; Конг, Сян-Пэн; Чэнь, Юэ; Гнанакаран, С.; Корбер, Бетте; Гао, Фэн (2020). «Появление SARS-CoV-2 посредством рекомбинации и сильного очищающего отбора». Science Advances . 6 (27). Bibcode :2020SciA....6.9153L. doi : 10.1126/sciadv.abb9153 . PMC 7458444 . PMID  32937441. 
  100. ^ Рехман, Саиф Ур; Шафик, Лайба; Ихсан, Авайс; Лю, Цинъю (2020). «Эволюционная траектория возникновения нового коронавируса SARS-CoV-2». Патогены . 9 (3): 240. doi : 10.3390/pathogens9030240 . PMC 7157669. PMID  32210130 . 
  101. ^ Yeh TY, Contreras GP (июль 2020 г.). «Появляющиеся вирусные мутанты в Австралии предполагают событие рекомбинации РНК в геноме SARS-CoV-2». The Medical Journal of Australia . 213 (1): 44–44.e1. doi : 10.5694/mja2.50657 . PMC 7300921. PMID  32506536 . 
  102. ^ Yeh TY, Contreras GP (1 июля 2021 г.). «Вирусная передача и динамика эволюции SARS-CoV-2 в карантине на борту судна». Bull. World Health Organ . 99 (7): 486–495. doi : 10.2471/BLT.20.255752 . PMC 8243027. PMID  34248221 . 
  103. ^ Lamb NE, Yu K, Shaffer J, Feingold E, Sherman SL (январь 2005 г.). «Связь между возрастом матери и мейотической рекомбинацией при трисомии 21». American Journal of Human Genetics . 76 (1): 91–9. doi :10.1086/427266. PMC 1196437 . PMID  15551222. 
  104. ^ Cold Spring Harbor Laboratory (2007). "Human RecQ Helicases, Homologous Recombination And Genomic Instability". ScienceDaily . Получено 3 июля 2010 г.
  105. ^ Modesti M, Kanaar R (2001). "Гомологичная рекомбинация: от модельных организмов до болезней человека". Genome Biology . 2 (5): REVIEWS1014. doi : 10.1186/gb-2001-2-5-reviews1014 . PMC 138934. PMID  11387040 . 
  106. ^ Luo G, Santoro IM, McDaniel LD, Nishijima I, Mills M, Youssoufian H, Vogel H, Schultz RA, Bradley A (декабрь 2000 г.). «Предрасположенность к раку, вызванная повышенной митотической рекомбинацией у мышей Bloom». Nature Genetics . 26 (4): 424–9. doi :10.1038/82548. PMID  11101838. S2CID  21218975.
  107. ^ ab Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P (2007). Молекулярная биология клетки (5-е изд.). Garland Science. ISBN 978-0-8153-4110-9.
  108. ^ abc Powell SN, Kachnic LA (сентябрь 2003 г.). «Роль BRCA1 и BRCA2 в гомологичной рекомбинации, точности репликации ДНК и клеточной реакции на ионизирующее излучение». Oncogene . 22 (37): 5784–91. doi :10.1038/sj.onc.1206678. PMID  12947386.
  109. ^ "Использование показателя дефицита гомологичной рекомбинации (HRD) для обогащения чувствительных к нирапарибу опухолей яичников высокой степени злокачественности". Архивировано из оригинала 2017-04-30 . Получено 2016-12-30 .
  110. ^ abcdefgh Lin Z, Kong H, Nei M, Ma H (июль 2006 г.). «Происхождение и эволюция семейства генов recA/RAD51: доказательства древней дупликации генов и эндосимбиотического переноса генов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (27): 10328–33. Bibcode : 2006PNAS..10310328L. doi : 10.1073/pnas.0604232103 . PMC 1502457. PMID  16798872 . 
  111. ^ ab Haseltine CA, Kowalczykowski SC (май 2009). «Архейный белок Rad54 ремоделирует ДНК и стимулирует обмен цепями ДНК с помощью RadA». Nucleic Acids Research . 37 (8): 2757–70. doi :10.1093/nar/gkp068. PMC 2677860. PMID  19282450 . 
  112. ^ Rolfsmeier ML, Haseltine CA (март 2010). «Одноцепочечный ДНК-связывающий белок Sulfolobus solfataricus действует на пресинаптическом этапе гомологичной рекомбинации». Журнал молекулярной биологии . 397 (1): 31–45. doi :10.1016/j.jmb.2010.01.004. PMID  20080104.
  113. ^ Huang Q, Liu L, Liu J, Ni J, She Q, Shen Y (2015). «Эффективная резекция конца 5'-3' ДНК с помощью HerA и NurA необходима для жизнеспособности клеток в кренархее Sulfolobus islandicus». BMC Molecular Biology . 16 : 2. doi : 10.1186/s12867-015-0030-z . PMC 4351679. PMID  25880130 .  Значок открытого доступа
  114. ^ Jain SK, Cox MM, Inman RB (август 1994). «О роли гидролиза АТФ в опосредованном белком RecA обмене цепями ДНК. III. Однонаправленная миграция ветвей и обширное образование гибридной ДНК». Журнал биологической химии . 269 (32): 20653–61. doi : 10.1016/S0021-9258(17)32043-4 . PMID  8051165.
  115. ^ Ramesh MA, Malik SB, Logsdon JM (январь 2005 г.). «Филогеномный перечень мейотических генов; доказательства пола у Giardia и раннего эукариотического происхождения мейоза». Current Biology . 15 (2): 185–91. doi : 10.1016/j.cub.2005.01.003 . PMID  15668177. S2CID  17013247.
  116. ^ ab Malik SB, Ramesh MA, Hulstrand AM, Logsdon JM (декабрь 2007 г.). «Протистские гомологи мейотического гена Spo11 и топоизомеразы VI раскрывают эволюционную историю дупликации генов и потери, специфичной для конкретной линии». Молекулярная биология и эволюция . 24 (12): 2827–41. doi : 10.1093/molbev/msm217 . PMID  17921483.
  117. ^ Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J (2000). "Глава 8.5: Замена генов и трансгенные животные: ДНК переносится в эукариотические клетки различными способами". Молекулярная клеточная биология (4-е изд.). WH Freeman and Company. ISBN 978-0-7167-3136-8.
  118. ^ "Нобелевская премия по физиологии и медицине 2007 года". Нобелевский фонд . Получено 15 декабря 2008 года .
  119. ^ Drummond DA, Silberg JJ, Meyer MM, Wilke CO, Arnold FH (апрель 2005 г.). «О консервативной природе внутригенной рекомбинации». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 102 (15): 5380–5. Bibcode : 2005PNAS..102.5380D. doi : 10.1073/pnas.0500729102 . PMC 556249. PMID  15809422 . 
  120. ^ Bloom JD, Silberg JJ, Wilke CO, Drummond DA, Adami C, Arnold FH (январь 2005 г.). «Термодинамическое предсказание нейтральности белка». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 102 (3): 606–11. arXiv : q-bio/0409013 . Bibcode : 2005PNAS..102..606B. doi : 10.1073/pnas.0406744102 . PMC 545518. PMID  15644440 . 
  121. ^ ab Carbone MN, Arnold FH (август 2007 г.). «Инженерия с помощью гомологичной рекомбинации: исследование последовательности и функции в пределах консервативной укладки». Current Opinion in Structural Biology . 17 (4): 454–9. doi :10.1016/j.sbi.2007.08.005. PMID  17884462.
  122. ^ Otey CR, Landwehr M, Endelman JB, Hiraga K, Bloom JD, Arnold FH (май 2006 г.). «Структурно-управляемая рекомбинация создает искусственное семейство цитохромов P450». PLOS Biology . 4 (5): e112. doi : 10.1371/journal.pbio.0040112 . PMC 1431580. PMID  16594730 .  Значок открытого доступа
  123. ^ Socolich M, Lockless SW, Russ WP, Lee H, Gardner KH, Ranganathan R (сентябрь 2005 г.). «Эволюционная информация для указания белковой укладки». Nature . 437 (7058): 512–8. Bibcode :2005Natur.437..512S. doi :10.1038/nature03991. PMID  16177782. S2CID  4363255.
  124. ^ Туласирам ХВ, Эриксон ХК, Поултер КД (апрель 2007 г.). «Химеры двух изопреноидсинтаз катализируют все четыре реакции связывания в биосинтезе изопреноидов». Science . 316 (5821): 73–6. Bibcode :2007Sci...316...73T. doi :10.1126/science.1137786. PMID  17412950. S2CID  43516273.
  125. ^ Ландвер М., Карбоне М., Отей К. Р., Ли И., Арнольд Ф. Х. (март 2007 г.). «Диверсификация каталитической функции в синтетическом семействе химерных цитохромов p450». Химия и биология . 14 (3): 269–78. doi :10.1016/j.chembiol.2007.01.009. PMC 1991292. PMID  17379142 . 
  126. ^ Чоудхури, Ананья; Чжао, Хелен; Джалали, Фарид; Рашид, Шахназ АЛ; Ран, Джейн; Супиот, Стефан; Килти, Энн Э.; Бристоу, Роберт Г. (1 января 2009 г.). «Нацеливание гомологичной рекомбинации с использованием иматиниба приводит к повышению химиочувствительности и радиочувствительности опухолевых клеток» (PDF) . Molecular Cancer Therapeutics . 8 (1): 203–213. doi :10.1158/1535-7163.MCT-08-0959. ISSN  1535-7163. PMID  19139130. S2CID  6493434.
  127. ^ Сиддики, Арафат; Тумиати, Мануэла; Джоко, Алия; Сандхольм, Йоуко; Реринг, Пиа; Аакко, София; Вайнионпяя, Реетта; Кайпио, Катя; Хухтинен, Кайса; Кауппи, Лийза; Туомела, Йоханна; Хиетанен, Сакари (2021). «Нацеливание на способность гомологичной репарации ДНК с сопутствующим ингибированием топоизомеразы II и c-Abl». Границы онкологии . 11 : 3666. doi : 10.3389/fonc.2021.733700 . ISSN  2234-943Х. ПМЦ 8488401 . ПМИД  34616682. 
  128. ^ abc Iglehart JD, Silver DP (июль 2009 г.). «Синтетическая летальность — новое направление в разработке лекарств от рака». The New England Journal of Medicine . 361 (2): 189–91. doi :10.1056/NEJMe0903044. PMID  19553640.
  129. ^ Fong PC, Boss DS, Yap TA, Tutt A, Wu P, Mergui-Roelvink M, Mortimer P, Swaisland H, Lau A, O'Connor MJ, Ashworth A, Carmichael J, Kaye SB, Schellens JH, de Bono JS (июль 2009 г.). «Ингибирование поли(АДФ-рибозы)полимеразы в опухолях у носителей мутации BRCA». The New England Journal of Medicine . 361 (2): 123–34. doi : 10.1056/NEJMoa0900212 . PMID  19553641.
  130. ^ Edwards SL, Brough R, Lord CJ, Natrajan R, Vatcheva R, Levine DA, Boyd J, Reis-Filho JS, Ashworth A (февраль 2008 г.). «Устойчивость к терапии, вызванная внутригенной делецией в BRCA2». Nature . 451 (7182): 1111–5. Bibcode :2008Natur.451.1111E. doi :10.1038/nature06548. PMID  18264088. S2CID  205212044.

Внешние ссылки

Библиотечные ресурсы о
гомологичной рекомбинации
  • Ресурсы в вашей библиотеке
  • Ресурсы в других библиотеках
На Викискладе есть медиафайлы по теме Гомологичная рекомбинация .