Homology-directed Repair

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Mechanismen der Homologie-gerichteten Reparatur[1]

Homology-directed Repair (‚Homologie-gerichtete Reparatur‘, HDR) bezeichnet einen Mechanismus der DNA-Reparatur von DNA-Schäden, welcher per homologer Rekombination Doppelstrangbrüche von DNA repariert.

Eigenschaften

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Doppelstrangbrüche entstehen durch ionisierende Strahlung, manche Chemotherapeutika oder als Fehler bei der DNA-Replikation.[2] Unreparierte Doppelstrangbrüche können Genominstabilität, Tumorentstehung oder Zelltod verursachen.[3] Im Vergleich zur Reparatur von Doppelstrangbrüchen per NHEJ ist die HDR vergleichsweise genau, aber weniger leistungsfähig.[4] Zudem kommt HDR nicht bei ruhenden Zellen vor. NHEJ ist der häufiger vorkommende Mechanismus.[5] Die fehlerhafte Reparatur von Doppelstrangbrüchen trägt zur Entstehung von Krebs bei.[2] Unter den Reparaturmechanismen für Doppelstrangbrüche ist HDR vergleichsweise fehlerfrei.[6] Bei der CRISPR/Cas-Methode ist die HDR aufgrund der Genauigkeit die bevorzugte Form der DNA-Reparatur.[7][8][9][10][11]

Ablauf

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Die HDR beginnt mit der Erkennung und Bindung des Schadens durch den MRN-Proteinkomplex aus MRE11, RAD50 und NBS1.[12] Anschließend binden ATM-Kinase und TIP60, wobei die ATM-Kinase durch TIP60 aktiviert wird.[12] Die aktivierte ATM-Kinase phosphoryliert daraufhin das Histon H2AX, welches danach MDC1 bindet.[12] MDC1 wird daraufhin durch die ATM-Kinase phosphoryliert, wodurch die E3-Ubiquitinligasen RNF8 und RNF168 binden.[12] RNF8 und RNF168 ubiquitinieren das Histon H2AX, wodurch 53BP1 und BRCA1 binden.[12] In der S/G2-Phase des Zellzyklus (in der HDR der Hauptmechanismus zur Reparatur von Doppelstrangbrüchen ist) hemmt BRCA1 53BP1 und leitet die Ubiquitinierung von CtIP ein.[12] Anschließend binden RPA und RAD51.[12] Die Endonuclease im MRN-Proteinkomplex hydrolysiert einen der beiden Stränge in 5' zu 3'-Richtung unter Beteiligung der CtIP, wodurch ein 3'-Überhang der DNA entsteht.[12] Im Anschluss erfolgt eine weitere Hydrolyse der DNA durch EXO1 oder BLM-Helikase mit DNA2.[12] RPA bindet den einzelsträngigen 3'-Überhang, woraufhin RAD51 ebenfalls bindet, gefolgt von BRCA2 und PALB2 und eine D-Loop im DNA-Doppelstrang ausbilden.[12] RAD54 und RAD54B entfernen RAD51 von der DNA, woraufhin der Einzelstrang als Korrekturvorlage an den Doppelstrang bindet und die DNA-Polymerasen δ, κ and ν am 3'-Ende DNA synthetisieren.[12] Wenn die Synthese nach einer kurzen Sequenz endet (wie bei der SDSA), löst RTEL1 die D-Loop auf.[12] Andernfalls wird die Holliday-Struktur durch einen Proteinkomplex aus BLM, TOPOIII, RMI1 und RMI2 gebunden, gefolgt von der Endonuklease GEN1 und dem Proteinkomplex aus MUS81 und EME1 sowie dem Proteinkomplex aus SLX1 und SLX4.[12]

Einzelnachweise

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  1. ↑ C. Gelot, I. Magdalou, B. S. Lopez: Replication stress in Mammalian cells and its consequences for mitosis. In: Genes. Band 6, Nummer 2, Mai 2015, S. 267–298, doi:10.3390/genes6020267, PMID 26010955, PMC 4488665 (freier Volltext).
  2. ↑ a b M. Valikhani, E. Rahimian, S. E. Ahmadi, R. Chegeni, M. Safa: Involvement of classic and alternative non-homologous end joining pathways in hematologic malignancies: targeting strategies for treatment. In: Experimental hematology & oncology. Band 10, Nummer 1, November 2021, S. 51, doi:10.1186/s40164-021-00242-1, PMID 34732266, PMC 8564991 (freier Volltext).
  3. ↑ Q. Wu: Structural mechanism of DNA-end synapsis in the non-homologous end joining pathway for repairing double-strand breaks: bridge over troubled ends. In: Biochemical Society transactions. Band 47, Nummer 6, Dezember 2019, S. 1609–1619, doi:10.1042/BST20180518, PMID 31829407.
  4. ↑ A. Shibata, P. A. Jeggo: Canonical DNA non-homologous end-joining; capacity versus fidelity. In: The British journal of radiology. Band 93, Nummer 1115, November 2020, S. 20190966, doi:10.1259/bjr.20190966, PMID 31944860, PMC 8519634 (freier Volltext).
  5. ↑ S. L. Rulten, G. J. Grundy: Non-homologous end joining: Common interaction sites and exchange of multiple factors in the DNA repair process. In: BioEssays : news and reviews in molecular, cellular and developmental biology. Band 39, Nummer 3, März 2017, S. , doi:10.1002/bies.201600209, PMID 28133776.
  6. ↑ R. Ceccaldi, B. Rondinelli, A. D. D'Andrea: Repair Pathway Choices and Consequences at the Double-Strand Break. In: Trends in cell biology. Band 26, Nummer 1, Januar 2016, S. 52–64, doi:10.1016/j.tcb.2015.07.009, PMID 26437586, PMC 4862604 (freier Volltext).
  7. ↑ M. Lu, S. Billerbeck: Improving homology-directed repair by small molecule agents for genetic engineering in unconventional yeast?-Learning from the engineering of mammalian systems. In: Microbial biotechnology. Band 17, Nummer 2, Februar 2024, S. e14398, doi:10.1111/1751-7915.14398, PMID 38376092, PMC 1087801 (freier Volltext).
  8. ↑ M. Liu, S. Rehman, X. Tang, K. Gu, Q. Fan, D. Chen, W. Ma: Methodologies for Improving HDR Efficiency. In: Frontiers in genetics. Band 9, 2018, S. 691, doi:10.3389/fgene.2018.00691, PMID 30687381, PMC 6338032 (freier Volltext).
  9. ↑ H. Yang, S. Ren, S. Yu, H. Pan, T. Li, S. Ge, J. Zhang, N. Xia: Methods Favoring Homology-Directed Repair Choice in Response to CRISPR/Cas9 Induced-Double Strand Breaks. In: International Journal of Molecular Sciences. Band 21, Nummer 18, September 2020, S. , doi:10.3390/ijms21186461, PMID 32899704, PMC 7555059 (freier Volltext).
  10. ↑ S. A. Smirnikhina, M. I. Zaynitdinova, V. A. Sergeeva, A. V. Lavrov: Improving Homology-Directed Repair in Genome Editing Experiments by Influencing the Cell Cycle. In: International Journal of Molecular Sciences. Band 23, Nummer 11, Mai 2022, S. , doi:10.3390/ijms23115992, PMID 35682671, PMC 9181127 (freier Volltext).
  11. ↑ W. Sun, H. Liu, W. Yin, J. Qiao, X. Zhao, Y. Liu: Strategies for Enhancing the Homology-Directed Repair Efficiency of CRISPR-Cas Systems. In: The CRISPR journal. Band 5, Nummer 1, Februar 2022, S. 7–18, doi:10.1089/crispr.2021.0039, PMID 35076280.
  12. ↑ a b c d e f g h i j k l m N. Chatterjee, G. C. Walker: Mechanisms of DNA damage, repair, and mutagenesis. In: Environmental and molecular mutagenesis. Band 58, Nummer 5, Juni 2017, S. 235–263, doi:10.1002/em.22087, PMID 28485537, PMC 5474181 (freier Volltext).
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