Репарация двунитевых разрывов

Двунитевые разрывы ДНК (DSB, double strand breaks) являются наиболее тяжелыми повреждениями геномов эукариот и при отсутствии их репарации почти всегда приводят клетку к гибели. В частности, гибель клеток после действия ионизирующей радиации преимущественно связана с нерепарированными DSB, а также с хромосомными перестройками, возникающими при их неправильной репарации. DSB могут возникать спонтанно или после воздействия на клетку ионизирующей радиации и некоторых химических мутагенов.

В ядрах клеток эукариот находятся специфические для каждого вида наборы хромосом, причем одна хромосома содержит одну линейную молекулу ДНК. ДНК каждой хромосомы фланкирована особыми повторяющимися последовательностями, которые называются теломерами и составлены из большого числа тандемно расположенных блоков (TTAGGG)n. Между теломерами каждой хромосомы находятся экспрессирующиеся гены, «молчащие» последовательности ДНК, а также один особый небольшой эпигенетически заданный участок (центромера), необходимый для правильной сегрегации данной хромосомы в митозе, так как именно к нему прикрепляются нити веретена деления. Теломеры являются единственными «легально дозволенными» двунитевыми концами ДНК в клетке. Появление в молекуле ДНК нерепарированного DSB приводит к нарушению ее непрерывности и к образованию ацентрического хромосомного фрагмента, теряющегося при митозе. Если же процесс репарации DSB пройдет неточно и захватит не те концы, которые принадлежат одному и тому же разрыву, то в клетке появятся хромосомные перестройки, которые могут приводить к ее малигнизации. Каким образом это происходит, показано на рис. 22 (Томилин, 2002).

Одной из функций гомологической рекомбинации, которая, как мы уже говорили, возможна не только в мейотических, но и в соматических клетках позвоночных, является особый путь репарации двунитевых разрывов ДНК.

Рисунок 22. Воссоединение двунитевых разрывов ДНК.

Рекомбинационный механизм репарации DSB в дрожжах был впервые предложен в 1973 г. В. Г. Королевым и Л. М. Грачевой. Тогда предполагалось, что это – единственный возможный механизм репарации DSB, по своему генному контролю совпадающий с обычной гомологической рекомбинацией, однако оставалось неясным, работает ли такой механизм в соматических клетках позвоночных животных. Но к настоящему времени стало ясно, что рекомбинация не является основным способом репарации двунитевых разрывов. Репарация DSB путем гомологической рекомбинации (HRR, homologous recombination repair) происходит достаточно редко, так как для нее необходима вторая неповрежденная копия двунитевой ДНК, содержащая участок с нуклеотидной гомологией к поврежденному участку. При этом один из концов DSB внедряется в неповрежденную копию и инициирует обычный процесс генетической рекомбинации, так что понятия гомологической рекомбинации и рекомбинационной репарации у высших эукариот практически являются синонимами.

Главная опасность рекомбинационной репарации DSB в клетках позвоночных состоит в том, что их геномы содержат большое число повторов, по которым возможны «неправильные» гомологические взаимодействия, приводящие к хромосомным перестройкам за счет неравной рекомбинации. Неравная рекомбинация может и не приводить к хромосомным перестройкам, так как особенно эффективно гомологическая рекомбинация протекает путем генной конверсии между сестринскими хроматидами в поздней S-фазе и G2-фазе клеточного цикла. На механизмах, препятствующих неравной HR и появлению хромосомных перестроек между повторами мы остановимся отдельно.

Другими системами распознавания и репарации DSB в клетках эукариот являются прямое негомологическое воссоединение концов ДНК (NHEJ, nonhomologous end-joining) и отжиг по прямым повторам (SSA, single strand annealing). С них мы и начнем изучение репарации двунитевых разрывов.