Механизмы репарации ДНК

Механизмы репарации ДНК

Объекты для изучения репарации
Escherichia coli
Saccharomyces cerevisiae
Caenorhabditis elegans
Arabidopsis Thaliana
Мыши, крысы
Клеточные культуры человека

1. 1. Мисматч репарация (MMR) Этапы 1 - 3

MMR. Этапы 4 - 5

А. Репарация мисматчей
у бактерий
VSP- very short patch repair
Short patch repair
Long patch repair

VSP- very short patch repair – 1
В основном удаляется Т из мисматчей G/T и C/T.
MutS распознает следующие мисматчи:

VSP- very short patch repair – 2
MutY заменяет А из мисматчей C/A и G/A. Это адениновая гликозилаза, которая делает апуриновые сайты, распознаваемые эндонуклеазой. После чего запускается эксцизионная репарация.

MMR млекопитающих
9 генов:
MLH1, MLH3, PMS1-2, MSH2-6
MSH – гомолог MutS
MLH – гомолог MutL
MSH2-6 гетеродимер репарирует 1bp инсерции-делеции
MSH2-3 гетеродимер репарирует 1-4 bp инсерции-делеции

MMR человека
На примере болезни HNPCC (heredity
non-polyposis colorectal cancer) в 1993-1994 гг.
У человека найдено 6 белков MutS и 4 – MutL.

MMR человека
На примере болезни HNPCC (heredity non-polyposis colorectal cancer) в 1993-1994 гг.
Пациенты с HNPCC имеют дефектную репарацию мисматчей (MMR).
Наиболее часто мутируют человеческие гомологи MutS и MutL - hMSH2 и hMLH1.
Последний может инактивироваться гиперметилированием.
У человека MMR устроена сложнее и представлена, по крайней мере, 6-ю MutS и 4-я MutL гомологами

Комбинация генов при репарации мисматчей

Показатели риска заболевания раком
(Standardized incidence ratios - SIRs) на основании популяционных и клинических исследований дефекта MMR

Механизмы, осуществляющие вклад в специфичность клеточных типов, чувствительных к дефициту MMR

1. 2. UVR репарация

SOS-мутагенез у бактерий

2. Прямая репарация
Репарируются О6-метилгуанин и О4-метилгуанин ферментом МТаза (MGMT).
У Е. coli 2 фермента (гены ada и ogt).
Если нет активности, то О6-мГ может спариваться с Т, тогда GC AT. В случае О4-мГ транзиция – AT GC

Пример реакции

3. BER-репарация. Этапы 1-2

BER-репарация. Этапы 3-4

BER-репарация. Этап 5

4. NER-репарация
1. TCR – transcription coupled repair (преимущественная репарация траснкрибируемых цепей гена)
2. GGR – global genome repair (оставшаяся часть генома)
NER репарирует многочисленные повреждения ДНК.
В процесс вовлечены продукты более 30-ти генов.

Больные пигментной ксеродермой
(
Выявлена в 1968 г. Дефект одного из 7 или более XP генов

Больные TTD трихотиодистрофией (А) и CS кокаиновым синдромом (В)

Этапы NER. 1-3

Этапы NER. 4-6

Биохимия NER (Этапы 1-3)

Специфическая активность
ХР нуклеаз

Биохимия NER (Этапы 4-5)

Повреждение ХР при болезнях
ХР – мутации в генах XP A-D,F,G
TTD – серо-дефицитные хрупкие волосы, малый рост, задержка умственного развития, кожи напоминает рыбью чешую, чувствительны к солнцу, г.о. поврежден ген ХРD – нарушается функции TFIIH, выполняющего функции ФТ, возможно, участвующего в регуляции серосодержащих белков.
CS – карликовость, потеря жировой ткани, задержка умственного развития, катаракта ретины, кариес зубов, острая чувствительность к солнцу

Вклад NER генов в развитие сквамозной карциномы головы и шеи

Роль pol lI в репарации
Когда pol II взаимодействует с промотором, она находится в гипофосфорилированном статусе (‘0’). В этом виде она не распознается Rsp5 Ub-ligase. Инициация требует фосфорилирование 5-го остатка серина (‘5’) в CTD повторах Rpb1, что препятствует распознаванию Rsp5. Так как pol II продолжает процесс элонгации, происходит последовательное фосфорилирование серинового остатка 2 (‘2’) в CTD, что конкурирует с образованием Rsp5–Rpb1. После элонгации pol II происходит остановка транскрипции при повреждении ДНК (красный ‘X’) или из-за компактного хроматина (красные цилиндры). (B) Прекращение 2-фосфорилирования а pol II приводит к образованию Rad26/Def1 комплекса и, вероятно, Rsp5.

Rad26 создает NER комплекс в сайте повреждения. В то же время Rsp5 (и Ubc5, не показано) начинают строить Ub-цепь на Rpb1, инициируя ‘Ub clock’, действие которых может замедляться Ubp3 деубиквитинилирующимферментом. Когда часы работают, факторы, такие как TFIIS—запускающие обратный механизм для pol II—и модулирующие хроматин комплексы, такие как FACT, делают попытку либо запустить NER, либо очистить нуклеосомный блок. (D) Если транскрипция регулируется часами, она начинается (слева). Если время действия Ub-clock истекает, комплекс pol IIразрушается, разрешая доступ к ДНК GGR или хроматин ремодулирующую систему

Аддукты ДНК с цис-платином

Репарация аддуктов ДНК с цис-платином

5. Другие виды репарации ДНК

Альтернативный механизм репарации у дрожжей S. pombe

Основные этапы репарации

Белки ATM
ATM (="ataxia telangiectasia mutated") получила название от болезни, пациенты, среди прочего, имеют высокий риск заболевания раком
Белки АТМ:
- распознают повреждения ДНК, особенно двунитевые разрывы (DSB)
- выполняют функцию, подобную р53
- поддерживают нормальную длину теломер

Примеры ICL, вызванных антираковыми агентами

Клеточный ответ на ICLs

Репарация ICL у млекопитающих

Fanconi Anemia (FA)путь репарации
У пациентов с FA повреждено, по крайней мере, 13 генов: FANCA, B, C, D1/BRCA2, D2, E, F, G/XRCC9, I, J/BRIP1/BACH1, L,M/Hef и N/PALB2

Сравнение FA генов у человека, Drosophila, Dictyostelium and C. elegans

FA путь у C. elegans.

Fanconi Anemia путь регулирует репарацию ICLs ДНК с помощью гомологичной рекомбинации

SUMO
(small ubiquitin-related modifier) конъюгация
Несколько SUMO E3 лигаз выявлено: SP-RING (secretory protein with a RING finger domain) type, PIAS [protein inhibitor of activated STAT (signal transducer and activator of transcription)] и Nse2/MMS21 (methylmethane sulfonate 21), RanBP2 (Ran-binding protein 2) в ядерных порах , Polycomb protein 2 и TOPORS (topoisomeraseI binding, arginine/serine-rich), a RING E3 для обоих: SUMO и ubiquitin.
SUMO формируется из пептидного предшественника и расщепляется одной или более из 6-ти SUMO протеаз SENP [SUMO1/ sentrin/SMT3 (suppressor ofmif two 3 homologue 1)-specific peptidase 2.

Моделирование влияния SUMO конъюгации на BRCA1
Генотоксический стресс запускает SUMO модификации BRCA1 через активность UBC9–PIAS1 и UBC9–PIAS4 со стороны повреждения ДНК. Белок PIAS4 необходим для полной аккумуляции RNF168 и Lys63-убиквитин,
возможно, через регуляцию RNF8/RNF168 лигазных активностей или усилением белок-белковых взаимодействий. PIAS1 необходим для завершения аккумуляции RAP80 и BRCA1.

IY. Эпигенетические модификации ДНК
Модификации хроматина,
Метилирование ДНК,
Геномный импринтинг.

Нуклеосомная организация ДНК

Регуляции транскрипции ацетилированием гистонов
Гистон-деацетилаза (HDACs) деацетилирует лизиновые остатки, создавая предпосылки для метилирования HMT. ДНК может также метилироваться по CpG динуклеотидам. Этот процесс опосредован ДНК метилтрансферазой (DNMTs), которая участвует в мультибелковом комплексе, который содержит HDACs и HMTs. Метил-CpG связывающий домен белки (MBPs) могут быть также введены в метилированную ДНК через их взаимодействие с HDACs и HMTs белками.

Метилирование ДНК

Распределение метилирования

Статус метилирования и функциональные особенности промоторов, содержащих CpG-островки

Функции ДНК-МТаз

Активация транскрипции метилированием ДНК

Метилирование ДНК и рак

Морфологические изменения в хроматине
(a) Нормальный эпителий кишечника: ядра разделены, одинаковы по форме и размеру (мономорфны). Ядерная мембрана имеет мягкие контуры, хроматин – дисперсный.
(b) Рак кишечника: ядра большие и разного размера (плеоморфные), содержимое ядер распределено неравномерно, области с темно окрашенным хроматином перемешаны со светло окрашенными участками.

Общие эпигенетические изменения при раке

Метилирование ДНК и рак

Эпигенетическая модель рака кишечника

Примеры гиперметилирования некоторых генов

Примеры гиперметилирования некоторых генов