Негомологичное соединение концов двухцепочечных разрывов в последовательности ДНК
Негомологи́чное соедине́ние концо́в двухцепо́чечных разры́вов в после́довательности ДНК (nonhomologous end joining, NHEJ), система репарации двухцепочечных разрывов последовательности при отсутствии неповреждённой гомологичной молекулы ДНК. Является высокомутагенным процессом, поскольку в ходе такой репарации утрачивается часть генетического материала. У млекопитающих – основной путь репарации двухцепочечных разрывов последовательности ДНК.
История открытия
В 1980-х гг. открыт второй путь репарации двухцепочечных разрывов последовательности ДНК, альтернативный гомологичной рекомбинации, – негомологичное соединение концов. Во 2-й половине 1990-х гг. у пациента с лимфомой обнаружена мутация в гене ДНК-лигазы IV (LIG4), необходимой для функционирования этой репаративной системы.
Механизм негомологичного соединения концов
Основным способом устранения двухцепочечных повреждений ДНК является гомологичная рекомбинация, которая осуществляется только при наличии неповреждённой сестринской хромосомы и обладает высокой точностью. Если этот путь невозможен, во избежание гибели клетки или её злокачественного перерождения в качестве крайней меры активируется система негомологичного соединения концов.
Для соединения необходимо, чтобы при наложении цепей хотя бы одна пара нуклеотидов была комплементарной (случайная микрогомология) и существовали свободные концы 3'-гидроксильной и 5'-фосфатной групп. Если же необходимые для соединения концевые группы или нуклеотиды отсутствуют, нуклеазы, присутствующие в клетке, отщепляют несколько нуклеотидов, формируя необходимые для соединения концы. Следствием удаления нуклеотидов нуклеазами являются делеции или вставки, что сильно изменяет содержащуюся в геноме информацию. Низкая степень гомологии соединяемых концов или её отсутствие приводит к росту мутаций.
В результате такой репарации хромосома не всегда способна выполнять свои функции. Так, у дрожжей в результате функционирования системы негомологичного соединения концов выживает 1 клетка из 1000.
У прокариот ключевую роль в системе негомологичного соединения концов играет гомодимерный белок Ku-антиген, который связывается с свободными концами молекулы ДНК, сближает их друг с другом, после чего привлекает многофункциональный фермент LigD, обладающий нуклеазной, полимеразной и лигазной активностью.
У эукариот негомологичное соединение концов осуществляется с помощью более сложного комплекса ферментов и вспомогательных белков. Эукариотический белок Ku, по структуре похожий на висячий замок, представляет собой гетеродимерный белок тороидальной формы, состоящий из субъединиц Ku70 и Ku80. Функции прокариотического белка LigD у эукариот выполняет комплекс нескольких белков: у млекопитающих полимеразную функцию LigD – Pol μ и Pol λ, нуклеазную – Artemis:DNA-PKcs, лигазную – XLF:XRCC4:DNA лигаза IV.
Литература
- Pitcher R. S. New Insights into NHEJ Repair Processes in Prokaryotes / R. S. Pitcher, T. E. Wilson, A. J. Doherty // Cell Cycle. – 2005. – Vol. 4, № 5. – P. 675–678.
- McKinnon P. J. DNA strand break repair and human genetic disease / P. J. McKinnon, K. W. Caldecott // Annual Review of Genomics and Human Genetics. – 2007. – Vol. 8. – P. 37–55.
- Molecular biology of the gene / J. D. Watson, T. A. Baker, S. P. Bell [et al.]. – 6th ed. – San Francisco, CA : Pearson/Benjamin Cummings ; Cold Spring Harbor, NY : Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2008.
- DNA repair by nonhomologous end joining and homologous recombination during cell cycle in human cells / Zhiyong Mao, M. Bozzella, A. Seluanov, V. Gorbunova // Cell Cycle. – 2008. – Vol. 7, № 18. – P. 2902–2906.
- Iliakis G. Backup pathways of NHEJ in cells of higher eukaryotes: cell cycle dependence // Radiotherapy and Oncology. – 2009. – Vol. 92, № 3. – P. 310–315.
- Selected topics in DNA repair / ed. by C. C. Chen. – Rijeka : InTech, 2011.
- Молекулярная биология клетки : c задачами Джона Уилсона и Тима Ханта : в 3 т. : [пер. с англ.] / Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис [и др.]. – 5-е изд. – Москва : Институт компьютерных исследований ; Ижевск : R & C Dynamics, 2013. – 3 т.
- What does the history of research on the repair of DNA double-strand breaks tell us?–a comprehensive review of human radiosensitivity / E. Berthel, M. L. Ferlazzo, C. Devic [et al.] // International journal of molecular sciences. – 2019. – Vol. 20, № 21. – Art. 5339.
- Дымшиц Г. М. Основные начала молекулярной биологии : учебное пособие / Г. М. Дымшиц, О. В. Саблина. – Новосибирск : ИПЦ НГУ, 2020.
- Jensen R. B. Preserving genome integrity in human cells via DNA double-strand break repair / R. B. Jensen, E. Rothenberg // Molecular Biology of the Cell. – 2020. – Vol. 31, № 9. – P. 859–865.