Негомологичное соединение концов (слева) и гомологичная рекомбинация (справа) в клетках млекопитающих
Негомологи́чное соедине́ние концо́в[1], или негомологи́чное воссоедине́ние концо́в[2] (англ.non-homologous end joining, NHEJ) — один из путей репарации двунитевых разрывов в ДНК. Негомологичным этот процесс называется потому, что повреждённые концы цепи соединяются лигазой напрямую, не нуждаясь в гомологичном шаблоне, в отличие от процесса гомологичной рекомбинации[3][4][5][6]. Термин «негомологичное соединение концов» был предложен в 1996 году Муром и Хабером[3]. NHEJ существенно менее точен, чем гомологичная рекомбинация, и часто он приводит к потере нуклеотидов, транслокациям или слиянию теломер, при этом последние два могут являться признаками опухолевой клетки[7]. NHEJ обнаружен у представителей всех царств живой природы, кроме того, в клеткахмлекопитающих он служит основным путём репарации двуцепочечных разрывов[8].
Когда механизм NHEJ неактивен, двунитевые разрывы могут быть устранены альтернативным путём, более подверженным ошибкам, — путём микрогомологичного соединения концов (англ.microhomology-mediated end joining (MMEJ)). При этом пути по обе стороны от разрыва сначала образуются короткие гомологичные последовательности (микрогомологи), которые затем подравниваются в ходе репарации.[9].
У бактерий
Многие видыбактерий, включая Escherichia coli, не имеют NHEJ, а потому вынуждены полагаться только на гомологичную рекомбинацию в случае повреждения ДНК бактерии. Однако белки, участвующие в NHEJ, были обнаружены у некоторых бактерий, например, у Bacillus subtilis, Mycobacterium tuberculosis и Mycobacterium smegmatis[en][10][11]. Бактерии используют исключительно компактную версию NHEJ, где все необходимые действия выполняются всего двумя белками: гетеродимером белка Ku и многофункциональной лигазой/полимеразой/нуклеазойLigD[12]. У микобактерий NHEJ гораздо больше подвержен ошибкам, чем у дрожжей[11]. Многие бактерии, обладающие белками NHEJ, проводят значительную часть своего жизненного цикла в стационарномгаплоидном состоянии, когда шаблон для рекомбинации недоступен и гомологичная рекомбинация невозможна[10]. Возможно, у этих бактерий NHEJ помогает восстанавливать двуцепочечные разрывы, возникающие при высыхании[13]. Corndog и Omega, два родственных бактериофага из Mycobacterium smegmatis, также используют NHEJ, чтобы разомкнуть свой геном во время инфекции[14].
У эукариот
В отличие от бактерий, эукариотический NHEJ использует обширный ряд белков, участвующих в осуществлении следующих шагов:
Распознавание двунитевого разрыва ДНК гетеродимерным белком Ku70/Ku80;
Сборка и стабилизация комплекса NHEJ-белков на месте повреждения ДНК;
Распад комплекса NHEJ-белков на месте отрепарированного разрыва[15].
Связывание и фиксирование концов
У дрожжей комплексMRX[en], состоящий из белков Mre11, Rad50 и Xrs2, привлекается в процесс репарации рано и, как предполагается, помогает сцеплять ДНК-концы[16]. Соответствующий комплекс у млекопитающих, известный как комплекс (MRN), состоит из белков Mre11, Rad50 и Nbs1 и также вовлекается в NHEJ, но он может действовать и
на других этапах процесса, помимо удержания концов разрыва в непосредственной близости друг от друга[17].
Эукариотический белок Ku представляет собой гетеродимер, состоящий из Ku70 и Ku80, формирующий комплекс с ДНК-зависимой протеинкиназой, которая есть у млекопитающих, но отсутствует у дрожжей. Белок Ku имеет форму корзинки и «скользит» вдоль ДНК-цепи. По сути, он выступает сенсором, обнаруживающим повреждения ДНК[1]. Он может функционировать и в качестве сайта докинга для других молекул, вовлеченных в NHEJ, а также взаимодействует с комплексом ДНК-лигазы IV и белком XLF[en][18][19].
ДНК-зависимая протеинкиназа DNA-PK
У эукариот центральную роль в NHEJ-репарации и ответе на повреждение ДНК играет ДНК-зависимая протеинкиназа DNA-PK, состоящая из каталитической субъединицы DNA-PKcs, соединённой с С-концом белка Ku80. DNA-PKcs рекрутируется к С-концу белка Ku80 после образования комплекса Ku70/Ku80 на концах двунитевого разрыва ДНК. После этого DNA-PKcs аутофосфорилируется и фосфорилирует ряд белков, участвующих в ответе на повреждение ДНК, включая белок Artemis[en][20]. Предполагается, что ДНК-зависимые протеинкиназы[en] тоже участвуют в соединении концов во время NHEJ[21].
Обработка концов разрыва
Обработка концов включает в себя удаление нескольких нуклеотидов из выступающих концов с помощью нуклеазы и восстановления двуцепочечной структуры посредством ДНК-полимеразы. Этот шаг не является необходимым, если концы уже совместимы, то есть имеют свободные 3'-гидроксильную и 5'-фосфатную группу. Например, белок Artemis[en], активируемый ДНК-зависимой протеинкиназой, может функционировать и как эндонуклеаза, и как экзонуклеаза в ходе V(D)J-рекомбинации. Mre11 обладает активностью нуклеазы, но, по-видимому, вовлечён в процесс гомологичной рекомбинации, а не NHEJ. Далее ДНК-полимеразы λ[en] и μ[en] (Pol4 у дрожжей) восстанавливают двуцепочечную структуру ДНК на месте выступающих одноцепочечных концов. Таким образом, концы разрыва делаются тупыми[en][5][22][23][1].
Лигирование
Комплекс ДНК-лигазы IV, состоящий из каталитическойсубъединицыДНК-лигазы IV[en] и кофактораXRCC4[en] (Dnl4 и Lif1 у дрожей), осуществляет лигирование на завершающем этапе NHEJ[24]. В нём также принимает участие белок XLF[en] (у дрожжей Nej1)[25][26]. Точная роль XLF неизвестна, однако известно, что он взаимодействует с комплексом XRCC4/ДНК-лигазы IV и, вероятно, участвует в процессе лигирования[27]. Последние данные свидетельствуют о том, что XLF способствует реаденилированию ДНК-лигазы IV после лигирования, «перезаряжая» её, благодаря чему она может катализировать второе лигирование[28].
Регуляция
Выбор между гомологичной и негомологичной репарациями повреждений ДНК регулируется на начальном этапе рекомбинации — подравнивании одноцепочечных выступающих участков. Концы, которые не подвергавшиеся подравниванию, могут быть соединены посредством NHEJ, а удаление на этапе подравнивания даже нескольких нуклеотидов подавляет NHEJ, и репарация производится посредством гомологичной рекомбинации[23]. NHEJ может происходить на протяжении всего клеточного цикла, но он наиболее активен в G1-фазе, когда нет доступных шаблонов для гомологичной рекомбинации. Важную роль в регуляции NHEJ играет циклинзависимая киназа 1[en] (Cdk1; cdc28 у дрожжей), которая отключается в G1-фазе и экспрессируется в S и G2 фазах. Cdk1 фосфорилирует нуклеазу Sae2, что запускает подравнивание концов[29].
NHEJ играет важную роль в V(D)J рекомбинации — процессе, посредством которого создаётся разнообразие B-клеточных и T-клеточныхрецепторов в иммунной системепозвоночных[30]. В начале процесса нуклеазы RAG1/RAG2[en] создают двуцепочечные разрывы, защищённые шпильками, в области особых сигнальных последовательностей[31] Далее нуклеаза Artemis срезает шпильки, и образовавшиеся концы соединяются посредством NHEJ[32]. Специализированная ДНК-полимераза, называемая трансферазой концевых дезоксинуклеотидов[en], работающая только в лимфоидных тканях, добавляет нешаблонные нуклеотиды к концами цепи до того, как последние будут соединены[33][34]. Этот процесс перестраивает и объединяет участки V (variable), D (diversity) и J (joining), с которых потом считывается вариабельный участок Т-клеточных и В-клеточных рецепторов. В отличие от типичного NHEJ, в котором точная репарация — это самый благоприятный исход, для V(D)J-рекомбинации выгоднее, чтобы NHEJ работал с ошибками, поскольку это повышает разнообразие кодирующих последовательностей генов.
В теломерах
Теломеры обычно защищены специальным белковым «кэпом», благодаря чему они не распознаются как двухцепочечные разрывы. Потеря кэпа вызывает укорочение теломер и их соединение посредством NHEJ, что приводит к формированию дицентрической хромосомы, разрывающейся во время митоза. Любопытно, что некоторые белки NHEJ участвуют в формировании кэпа теломеры. Например, удаление Ku, находящегося на теломерах, приводит к их укорочению[35].
Последствия дисфункции
Несколько человеческих болезней связаны с дисфункцией NHEJ[36]. Мутации, затрагивающие LIG4 и XLF, являются причиной LIG4-синдрома и XLF-связанного тяжёлого комбинированного иммунодефицита (ТКИД), соответственно. Эти синдромы имеют много характерных черт, включая клеточную радиочувствительность, микроцефалию и ТКИД, обусловленный дефектами в V(D)J-рекомбинации. Мутации в Artemis также приводят к ТКИД, но при них не развиваются неврологические дефекты, как при мутациях в LIG4 и XLF. Разница в тяжести болезней может объясняться ролью мутировавших белков: Artemis — это нуклеаза, необходимая, вероятно, только для репарации двухцепочечных разрывов с повреждёнными концами, когда как ДНК-лигаза IV и XLF принимают участие во всех вариантах NHEJ. Мутации в белках NHEJ также могут приводить к атаксии телеангиэктазии, анемии Фанкони, а также наследственному раку груди и яичников. Мыши, нокаутные по XRCC4 или LIG4, умирали на стадии эмбрионального развития, поэтому NHEJ является жизненно необходимым процессом для млекопитающих. Напротив, мыши, лишённые Ku или ДНК-зависимой протеинкиназы, оказались жизнеспособны, вероятно, потому, что NHEJ всё-таки может происходить без этих белков, хотя и на низком уровне[37]. Все мыши, мутантные по белкам NHEJ, имеют ТКИД, повышенную чувствительность к ионизирующему излучению и нейрональномуапоптозу.
Влияние на старение
Была разработана система для измерения эффективности NHEJ в клетках мышей[38].
С помощью неё можно сравнить эффективность NHEJ в разных тканях и у мышей разных возрастов. Наиболее активно NHEJ идёт в клетках кожи, лёгких и почечныхфибробластах, а в фибробластах сердца и астроцитахмозга существенно ниже. Кроме того, эффективность NHEJ снижается с возрастом в 1,8—3,8 раз в зависимости от ткани. Снижение эффективности работы NHEJ ведёт к увеличению нерепарированных или плохо репарированных участков ДНК, что существенно способствует старению. Показано, что Ku80 у человека, коровы и мыши экспрессируется на значительно различающихся уровнях, причём этот уровень связан с продолжительностью жизни[39][40].
Другой контент может иметь иную лицензию. Перед использованием материалов сайта WikiSort.ru внимательно изучите правила лицензирования конкретных элементов наполнения сайта.
2019-2025 WikiSort.ru - проект по пересортировке и дополнению контента Википедии