Žíhání řetězce závislé na syntéze - Synthesis-dependent strand annealing

Současný model meiotické rekombinace, iniciovaný dvouvláknovým zlomem nebo mezerou, následovaný párováním s homologním chromozomem a invazí vlákna, aby se zahájil proces rekombinační opravy. Oprava mezery může vést k crossover (CO) nebo non-crossover (NCO) z přilehlých oblastí. Předpokládá se, že k rekombinaci CO dochází u modelu Double Holliday Junction (DHJ), znázorněného vpravo nahoře. Předpokládá se, že NCO rekombinanty se vyskytují primárně na modelu Synthesis Dependent Strand Annealing (SDSA), ilustrovaném vlevo nahoře. Většina událostí rekombinace se zdá být typu SDSA.

v genetika, počáteční procesy spojené s opravou a dvouvláknový zlom podle vlákno závislé na syntéze žíhání (SDSA) jsou totožné s těmi v dvojitý model spojení Holliday, a byly nejrozsáhleji studovány u druhů kvasinek Saccharomyces cerevisiae. Po dvouvláknové přestávce proteinový komplex (MRX) se váže na oba konce přestávky a pracuje s DNA nukleázy provést resekce, což má za následek 5 'koncový digest za vzniku 3' přesahů jednořetězcové DNA (viz obrázek). Tyto převisy jsou pak vázány k vytvoření a nukleoprotein vlákno, které pak může lokalizovat sekvence DNA podobné jednomu z 3 'přesahů, čímž iniciuje invazi jednovláknového řetězce do duplexu DNA obsahujícího tyto sekvence. Jakmile dojde k invazi pramenů, a posunovací smyčka, nebo D-smyčka, je vytvořena, na kterém místě buď SDSA nebo dvojitá Křižovatka Holliday dojde.[1]

Homologní rekombinace cestou SDSA dochází v mitotických i meiotických buňkách jako důležitý mechanismuscrossover rekombinace a jako model byl poprvé navržen v roce 1976,[2] získala své současné jméno v roce 1994.[3] Vzhledem k tomu, že model dvojitého spojení Holliday byl první navržený k vysvětlení tohoto jevu,[4] různé verze modelu SDSA byly později navrženy k vysvětlení heteroduplex Konfigurace DNA, které neodpovídaly předpovědím modelu dvojitého spojení Holliday. Studie v S. cerevisiae zjistili, že výrobky bez křížení se objevují dříve než dvojité spoje Holliday nebo výrobky křížení, což zpochybnilo předchozí představu, že výrobky s křížením i bez křížení jsou vyráběny dvojitými spoji Holliday.[5]

V modelu SDSA dochází k opravě dvouvláknových zlomů bez vytvoření dvojitého spojení Holliday, takže dva procesy homologní rekombinace jsou identické až těsně po vytvoření D-smyčky.[6] V kvasinkách je D-smyčka tvořena invazí vláken pomocí proteinů Rad51 a Rad52,[7] a poté na něj působí DNA helikáza Srs2, aby se zabránilo tvorbě dvojitého křižovatky Holliday, aby došlo k cestě SDSA.[8] Napadající 3 'řetězec je tedy prodloužen podél homologního duplexu DNA příjemce o DNA polymeráza ve směru 5 'až 3', takže se D-smyčka fyzicky translokuje - proces označovaný jako syntéza DNA s bublinovou migrací.[9] Výsledné jedno spojení Holliday pak sklouzává DNA duplex ve stejném směru v procesu zvaném migrace poboček, přemístění prodlouženého vlákna z vlákna šablony. Toto posunuté vlákno vyskočí a vytvoří 3 'přesah v původním dvouvláknovém zlomovém duplexu, který pak může žíhat na opačný konec původního průniku doplňková základna párování. Syntéza DNA tedy vyplňuje mezery, které zbyly po žíhání, a prodlužuje oba konce stále přítomného jednořetězcového zlomu DNA, ligace všechny zbývající mezery k produkci rekombinantní nepřekřížené DNA.[1]

SDSA je jedinečný v tom, že translokace D-smyčky vede spíše ke konzervativní než semikonzervativní replikace, protože první prodloužený řetězec je přemístěn ze svého pramen šablony, přičemž homologní duplex zůstane neporušený. Proto i když SDSA produkuje nepřekřížené produkty, protože se nevyměňují hraniční markery heteroduplexní DNA, genová konverze nedochází, přičemž mezi dvěma homologními sekvencemi probíhá nereciproční genetický přenos.[10]

Enzymy zaměstnané v SDSA během meiózy

Sestava nukleoproteinového vlákna obsahujícího jednořetězcovou DNA (ssDNA) a RecA homolog, Rad51, je klíčovým krokem nezbytným pro homologie hledat během rekombinace. V začínajících kvasnicích Saccharomyces cerevisiae, Translocase Srs2 demontuje vlákna Rad51 během redukční dělení buněk.[11] Přímou interakcí s Rad51 Srs2 uvolňuje Rad51 z nukleoproteinových vláken, čímž inhibuje Rad51-dependentní tvorbu kloubních molekul a D-smyčka struktur. Tato demontážní aktivita je specifická pro Rad51, protože Srs2 se nerozebírá DMC1 (homolog Rad51 specifický pro meiózu), Rad52 (mediátor Rad 51) nebo replikační protein A (RPA, jednořetězcový protein vázající DNA). Srs2 podporuje non-crossover SDSA dráhu, zjevně regulací vazby RAD51 během výměny vlákna.[12]

The Sgs1 (BLM ) helikáza je ortolog člověka Protein Bloomova syndromu. Zdá se, že je centrálním regulátorem většiny rekombinace události, ke kterým dojde během S. cerevisiae redukční dělení buněk.[13] Sgs1 (BLM) se může rozebrat D-smyčka struktury analogické meziproduktům rané invaze vláken, a tak podporují tvorbu NCO pomocí SDSA.[13] Helicasa Sgs1 tvoří konzervovaný komplex s topoizomerázou III (Top3 )-RMI1 heterodimer (který katalyzuje průchod jednoho vlákna DNA). Tento komplex, nazývaný STR (pro své tři složky), podporuje časnou tvorbu NCO rekombinantů pomocí SDSA během meiózy.[14]

Jak přezkoumali Uringa et al.[15] RTEL1 helikáza je nutná k regulaci rekombinace během meiózy u červa Caenorhabditis elegans. RTEL1 je klíčový protein při opravě DSB. Naruší to D-smyčky a podporuje výsledky NCO prostřednictvím SDSA.

Počet DSB vytvořených během meiózy může podstatně překročit počet konečných událostí CO. V rostlině Arabidopsis thaliana, pouze asi 4% DSB jsou opraveny rekombinací CO,[16] což naznačuje, že většina DSB je opravena NCO rekombinací. Údaje založené na tetradové analýze od několika druhů hub ukazují, že pouze menšina (v průměru asi 34%) rekombinačních událostí během meiózy jsou CO (viz Whitehouse,[17] Tabulky 19 a 38 pro souhrny údajů z S. cerevisiae, Podospora anserina, Sordaria fimicola a Sordaria brevicollis). V ovocné mušce D. melanogaster během meiózy u žen existuje alespoň poměr NCO k CO 3: 1.[18] Tato pozorování naznačují, že většina rekombinačních událostí během meiózy jsou NCO a naznačuje, že SDSA je hlavní cestou pro rekombinaci během meiózy. Hlavní funkcí SDSA během meiózy je pravděpodobně oprava poškození DNA, zejména DSB, v genomech, které mají být přeneseny na gamety (viz Genetická rekombinace ).[Citace je zapotřebí ]

Reference

  1. ^ A b Helleday T, Engelward BP (2007). „Oprava dvouvláknového zlomu DNA: Od mechanistického porozumění k léčbě rakoviny“. Oprava DNA. 6 (7): 923–935. doi:10.1016 / j.dnarep.2007.02.006. PMID  17363343.
  2. ^ Resnick MA (1976). "Oprava dvouřetězcových zlomů v DNA - model zahrnující rekombinaci". Journal of Theoretical Biology. 59 (1): 97–106. doi:10.1016 / s0022-5193 (76) 80025-2. PMID  940351.
  3. ^ Nassif N, Penney, Pal S, Engels WR, Gloor GB (1994). „Efektivní kopírování nehomologních sekvencí z ektopických míst pomocí opravy mezery vyvolané P-elementem“. Molekulární a buněčná biologie. 14 (3): 1613–25. doi:10.1128 / mcb.14.3.1613. PMC  358520. PMID  8114699.
  4. ^ Holliday R (1964). "Indukce mitotické rekombinace mitomycinem C v Ustilago a Saccharomyces". Genetika. 50 (3): 325–35. PMC  1210654. PMID  14207702.
  5. ^ Allers T, Lichten M (2001). "Diferenciální načasování a řízení nekřížové a křížové rekombinace během meiózy". Buňka. 106 (1): 47–57. doi:10.1016 / s0092-8674 (01) 00416-0. PMID  11461701.
  6. ^ McMahill MS, Sham CW, Bishop DK (2007). „Synteticky závislé vlákno žíhající v meióze“. PLOS Biology. 5 (11): 2589–2601. doi:10.1371 / journal.pbio.0050299. PMC  2062477. PMID  17988174.
  7. ^ Dupaigne P, Le Breton C, Fabre F, Gangloff S, Le Carn E, Veaute X (2008). „Aktivita helikázy Srs2 je stimulována vlákny Rad51 na dsDNA: Důsledky pro výskyt crossoverů během mitotické rekombinace.“ Molekulární buňka. 29 (2): 243–254. doi:10.1016 / j.molcel.2007.11.033. PMID  18243118.
  8. ^ Miura T, Yamana Y, Usui T, Ogawa HI, Yamamoto MT, Kusano K (2012). „Homologní rekombinace prostřednictvím žíhání pramenů závislých na syntéze v kvasinkách vyžaduje DNA helikázy Irc20 a Srs2“. Genetika. 191 (1): 65–78. doi:10.1534 / genetika.112.139105. PMC  3338270. PMID  22367032.
  9. ^ Formosa T, Alberts BM (1986). „Syntéza DNA závislá na genetické rekombinaci - charakterizace reakce katalyzované čištěnými proteiny bakteriofága-T4“. Buňka. 47 (5): 793–806. doi:10.1016/0092-8674(86)90522-2. PMID  3022939.
  10. ^ Maher RL, Branagan AM, Morrical SW (2011). „Koordinace aktivit replikace a rekombinace DNA při udržování stability genomu“. Journal of Cellular Biochemistry. 112 (10): 2672–2682. doi:10.1002 / jcb.23211. PMC  3178728. PMID  21647941.
  11. ^ Sasanuma H, Furihata Y, Shinohara M, Shinohara A (2013). „Přestavba proteinu pro výměnu řetězců DNA Rad51 helikázou Srs2“. Genetika. 194 (4): 859–72. doi:10.1534 / genetika.113.150615. PMC  3730916. PMID  23770697.
  12. ^ Ira G, Malkova A, Liberi G, Foiani M, Haber JE (2003). „Srs2 a Sgs1-Top3 potlačují přechody během opravy dvouvláknového zlomu v kvasinkách“. Buňka. 115 (4): 401–11. doi:10.1016 / s0092-8674 (03) 00886-9. PMC  4493758. PMID  14622595.
  13. ^ A b De Muyt A, Jessop L, Kolar E, Sourirajan A, Chen J, Dayani Y, Lichten M (2012). „BLM helikáza ortholog Sgs1 je centrálním regulátorem intermediárního metabolismu meiotické rekombinace“. Mol. Buňka. 46 (1): 43–53. doi:10.1016 / j.molcel.2012.02.020. PMC  3328772. PMID  22500736.
  14. ^ Kaur H, De Muyt A, Lichten M (2015). „Top3-Rmi1 DNA jednořetězcová dekantáza je nedílnou součástí tvorby a štěpení meziproduktů meiotické rekombinace“. Mol. Buňka. 57 (4): 583–94. doi:10.1016 / j.molcel.2015.01.020. PMC  4338413. PMID  25699707.
  15. ^ Uringa EJ, Youds JL, Lisaingo K, Lansdorp PM, Boulton SJ (2011). „RTEL1: základní helikáza pro údržbu telomer a regulaci homologní rekombinace“. Nucleic Acids Res. 39 (5): 1647–55. doi:10.1093 / nar / gkq1045. PMC  3061057. PMID  21097466.
  16. ^ Crismani W, Girard C, Froger N, Pradillo M, Santos JL, Chelysheva L, Copenhaver GP, Horlow C, Mercier R (2012). "FANCM omezuje meiotické přechody". Věda. 336 (6088): 1588–90. Bibcode:2012Sci ... 336.1588C. doi:10.1126 / science.1220381. PMID  22723424.
  17. ^ Whitehouse, HLK (1982). Genetická rekombinace: porozumění mechanismům. Wiley. str. 321 a tabulka 38. ISBN  978-0471102052.
  18. ^ Mehrotra S, McKim KS (2006). „Časová analýza tvorby a opravy dvouřetězcového zlomu meiotické DNA u žen Drosophila“. PLoS Genet. 2 (11): e200. doi:10.1371 / journal.pgen.0020200. PMC  1657055. PMID  17166055.