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DNA末端切除は、 5'-3'分解とも呼ばれ、二本鎖DNA （dsDNA）の断片の平滑末端を、 5'末端からいくつかのヌクレオチドを切り取って3'一本鎖配列を生成することによって改変する生化学的プロセスである。[1] [2]一本鎖DNA （ssDNA）断片の存在により、DNAの切断端が一致する配列と正確に整列し、正確に修復することができる。[1]
二本鎖切断（DSB）は細胞周期のどの段階でも発生し、DNA末端の切除と修復活動を引き起こしますが、有糸分裂組換えの正常な中間体でもあります。[3]さらに、線状染色体の自然な末端はDSBに似ており、DNA切断はゲノムDNAの完全性に損傷を与える可能性がありますが、自然な末端はテロメアと呼ばれる複雑で特殊なDNA保護パッケージに詰め込まれており、DNA修復活動を防ぎます。[3] [4]テロメアと有糸分裂DSBは機能が異なりますが、どちらも同じ5'-3'分解プロセスを経験します。
背景
二本鎖切断は、二重らせん構造の両方の鎖が切断されるDNA損傷の一種である。DSBは細胞周期のDNA複製中にのみ発生する。さらに、DSBはゲノムの再編成や不安定性につながる可能性がある。[3] 2つの相補鎖がDSBのポイントで結合している場合、細胞が次に分裂するときに有糸分裂を完了できず、死ぬか、まれに染色体の喪失、重複、さらには突然変異を起こすなど、破滅的な結果をもたらす可能性がある。[5] [6] DSBを修復するメカニズムには、非相同末端結合（NHEJ）、マイクロホモロジー介在末端結合（MMEJ）、および相同組み換えHRの3つがある。[7] [8] [9]これらのうち、NHEJだけがDNA末端切除に依存しない。[2]
機構
DSB の正確な修復は、ゲノムの完全性を維持するために不可欠です。DSB を修復するために存在する 3 つのメカニズムのうち、NHEJ 修復メカニズムと HR 修復メカニズムが主要な経路です。[4]いくつかの高度に保存的なタンパク質は、NHEJ または HR 修復経路のいずれかによる修復後に DSB を検出するためにDNA 損傷チェックポイントをトリガーします。 [3] NHEJ メカニズムは、2 つの異なる DSB を高い忠実度で連結する機能を果たしますが、HR は相同テンプレートに依存して DSB 末端を修復します。[3] [4]
HR経路におけるDNA末端切断は、S期とG2期の2つの特定の期にのみ起こる。[4] [3] HR経路は活性化に姉妹染色分体を必要とするため、このイベントは複製中の細胞周期のG2期とS期にのみ起こる。[3] [4] DNA末端切断を開始していないDSBはNHEJ経路によって連結される可能性があるが、数ヌクレオチドの切断はNHEJ経路を阻害し、HR経路によるDNA修復をコミットする。[10] NHEJ経路は細胞周期全体に関与しているが、G1期のDNA修復に重要である。[3] [10] G1期にはHR経路を介してDSBを修復する姉妹染色分体が存在しないため、NHEJ経路は重要な修復メカニズムとなる。[3] [10]
切除が行われる前に、切断が検出される必要があります。動物では、この検出はPARP1によって行われます。 [11]他の真核生物にも同様のシステムが存在し、植物ではPARP2がこの役割を果たしているようです。[12]次に、PARP結合により、MRN複合体が切断部位にリクルートされます。[ 13]これは、Mre11、Rad50 、およびNBS1（哺乳類ではNibrin [14]、または酵母ではXrs2として知られ、この複合体はMRX複合体と呼ばれています）で構成される高度に保存された複合体です。
切除が始まる前に、CtBP1相互作用タンパク質（CtIP）がMRN複合体に結合して、切除の第一段階、すなわち短距離末端切除を開始する必要がある。[7] [15] [16]リン酸化CtIPが結合した後、Mre11サブユニットは、おそらく末端から約300塩基対の5'末端鎖をエンドヌクレアーゼ的に切断することができ、 [15] [16]その後、3'→5'エキソヌクレアーゼとして作用して、5'鎖の末端を剥ぎ取る。[16]
テロメアDSBの切除
線状染色体は、テロメアと呼ばれる複雑で特殊な DNA 保護パッケージに詰め込まれています。[3] [4]テロメアの構造は高度に保存されており、複数の短いタンデム DNA リピートで構成されています。[3]テロメアと DSB は機能が異なり、テロメアは DNA 修復活動を防ぎます。[3]細胞周期の S/G2 期と G1 期におけるテロメア DNA 複製中、3' ラギング鎖は G テールと呼ばれる短いオーバーハングを残します。[4] [3]テロメア DNA は 3' G テール末端で終了します。これは、3' ラギング鎖が相補的な 5' C リーディング鎖なしで伸びているためです。G テールはテロメア DNA に主要な機能を提供し、G テールがテロメアの恒常性を制御します。[4]
G1期のテロメア
細胞周期のG1期では、テロメア関連タンパク質RIF1、RIF2、およびRAP2がテロメアDNAに結合し、MRX複合体へのアクセスを防ぎます。[4] [3]例えば、S. Cerevisiaeでのこのようなプロセスは、この活性によって負に制御されています。 MRX複合体とKu複合体は、同時に独立してDSB末端に結合します。[3] [16]テロメア関連タンパク質の存在下では、MRXはDSB末端に結合できませんが、Ku複合体はDSB末端に結合します。[3] DSB末端に結合したKu複合体は、テロメアをexo1による核酸分解から保護します。[3]これにより、DSB末端でのテロメラーゼ伸長が阻害され、細胞周期のG1期でのテロメアのさらなる作用が防止されます。[3] [4]
S/G2期後期のテロメア
細胞周期のS/G2後期には、テロメア関連タンパク質RIF1、RIF2、RAP2がテロメアDNAに結合して阻害効果を発揮する。[3] S/G2後期には、タンパク質キナーゼCDK1（サイクリン依存性）がテロメア切除を促進する。[4] [3]この制御は、切除機構の一部をリン酸化させるサイクリン依存性キナーゼによって行われる。 [15]このプロセスにより、テロメア関連タンパク質の阻害効果が軽減され、Cdc13（ラギング鎖とリーディング鎖の両方に結合するタンパク質）がテロメアDNAを覆うことができる。[15] cdc13がDNAに結合すると、DNA損傷チェックポイントが抑制され、DSB末端でのテロメラーゼ伸長を可能にしながら切除が行われる。[3]
有糸分裂DSBの切除
有糸分裂細胞における重要な制御制御の 1 つは、どの特定の DSB 修復経路を取るかを決定することです。DSB が検出されると、高度に保存された複合体が DNA 末端によってリクルートされます。[2]細胞が細胞周期の G1 期にある場合、複合体 Ku は切除の発生を防ぎ、NHEJ 経路因子をトリガーします。[3] NHEJ 経路の DSB は連結されます。これは、 Dnl4-Lif1/XRCC4ヘテロダイマーと Nej1/XLF タンパク質のDNA リガーゼ活性を必要とする NHEJ 経路のステップです。 [3]このプロセスにより、細胞周期の G1 期で DSB 末端がエラーを起こしやすい再連結になります。[3]
細胞がS/G2期にある場合、有糸分裂DSBはCdk1活性によって制御され、Sae2 Ser267のリン酸化を伴います。[4] [3] Cdk1によるリン酸化が起こると、MRX複合体がdsDNA末端に結合し、5'方向に伸びる短いssDNAを生成します。[4] [3] 5' ssDNAは、ヘリカーゼ酵素、Sgs1酵素、およびヌクレアーゼExo1とDna2の活性によって切断を続けます。 [17] Sae2 Sar267のDSB処理への関与は真核生物全体で高度に保存されており、Sae2はMRX複合体とともに、一本鎖アニーリングとヘアピンDNA構造の処理という2つの主要な機能に関与しています。[4]核内のすべてのssDNAと同様に、切除された領域は最初に複製タンパク質A（RPA）複合体で覆われますが、[18] [15] RPAはその後RAD51に置き換えられ、一致する領域の探索に参加できる核タンパク質フィラメントを形成し、HRの発生を可能にします。 [15] RPAで覆われた3' ssDNAはMec1のリクルートを促進します。Mec1はさらにcdk1とともにSae2をリン酸化します。結果として生じるMec1によるSae2のリン酸化は切除の効果を高めるのに役立ち、これがDNA損傷チェックポイントの活性化につながります。[4] [3]
規制当局
DNA修復における選択経路は、S/G2期およびG1期の細胞が適切なメカニズムを使用することを保証するために高度に制御されています。NHEJ経路とHR経路の両方の調節因子が適切なDNA修復応答経路を媒介します。[3]さらに、DNA修復に関する最近の研究では、DNA末端切除の調節は細胞複製サイクルにおけるcdk1の活性によって制御されていることが示されています。[3] [19]
NHEJ経路
DNA末端切除は、NHEJにおける正しい経路を決定する上で重要です。NHEJ経路が発生するためには、KuやMRX複合体などの正の調節因子が、Tel1、Lif1、Dnl4、Nej1などの他のNHEJ関連タンパク質のリクルートメントを仲介します。 [3] NHEJは末端切除に依存しないため、NHEJは細胞周期のG1期でのみ発生します。[3] [10] KuとNHEJ関連タンパク質は両方とも切除の開始を防ぎます。
切除により、DSB は NHEJ (DNA の切断端を一致を保証せずに結合する) ではなく、相同性 (DNA 配列の一致) に基づく方法で修復されるようになります。酵母の cdk1 などのサイクリン依存性タンパク質キナーゼは、NHEJ 経路の負の調節因子として機能します。[3]サイクリン依存性タンパク質キナーゼの存在に関連するすべての活動は、NHEJ 経路を阻害します[3]
ポジティブなレギュレーター
ssDNAの存在により、DNAの切断端が一致する配列と正確に整列し、正確に修復される。[1]細胞周期のS期およびG2期にHR経路が発生するには、姉妹染色分体の存在が必要である。[3] [4] 5′-3′切断により、DSBは自動的にHR経路にリンクされる。[2] cdk1などのサイクリン依存性タンパク質キナーゼは、HR経路の正の調節因子として機能する。[4] [3]この正の調節因子は、DNA末端の5′-3′核酸分解を促進する。cdk1とともに、MRX複合体、B1サイクリン、およびSpo11誘導DSBは、HR経路の正の調節因子として機能する。[17] [19]
参照
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