Forscher der Tokyo Metropolitan University haben die DNA-Reparatur durch homologe Rekombination untersucht, wobei das RecA-Protein Brüche in doppelsträngiger DNA repariert, indem es ein baumelndes Einzelstrangende in intakte Doppelstränge einbaut und den Bruch auf der Grundlage der unbeschädigten Sequenz repariert. Sie fanden heraus, dass RecA herausfindet, wo der Einzelstrang in der Doppelhelix platziert werden soll, ohne ihn auch nur um eine einzige Windung abzuwickeln. Ihre Erkenntnisse versprechen neue Wege in der Krebsforschung.
Homologe Rekombination (HR) ist ein allgegenwärtiger biochemischer Prozess, der allen Lebewesen, einschließlich Tieren, Pflanzen, Pilzen und Bakterien, gemeinsam ist. Im Alltag ist unsere DNA allen möglichen Umwelt- und inneren Belastungen ausgesetzt, von denen einige zum Bruch beider Stränge der Doppelhelix führen können. Dies kann katastrophal sein und zum unmittelbar bevorstehenden Zelltod führen. Glücklicherweise reparieren Prozesse wie die Personalabteilung diesen Schaden kontinuierlich.
Während der HR fällt eines der beiden freiliegenden Enden des Bruchs in der Helix ab und gibt ein freiliegendes einzelsträngiges Ende frei; Dies wird als Resektion bezeichnet. Dann bindet ein Protein namens RecA (oder ein gleichwertiges Protein) an den freigelegten Einzelstrang und einen intakten Doppelstrang in der Nähe. Als nächstes „sucht“ das Protein nach derselben Sequenz. Wenn es die richtige Stelle gefunden hat, kombiniert es den Einzelstrang wieder zur Doppelhelix in einem Prozess, der als Stranginvasion bezeichnet wird. Anschließend wird der gebrochene DNA-Strang mithilfe der vorhandenen DNA als Vorlage repariert. HR ermöglicht die präzise Reparatur von Doppelstrangbrüchen sowie den Austausch genetischer Informationen und ist damit ein wichtiger Bestandteil der Biodiversität. Das genaue biochemische Bild von HR, einschließlich dessen, was passiert, wenn RecA sowohl Einzel- als auch Doppelstränge trägt, ist jedoch noch nicht klar.
Ein Team unter der Leitung von Professor Kouji Hirota von der Tokyo Metropolitan University hat DNA-Reparaturmechanismen wie HR untersucht. In ihrer jüngsten Arbeit versuchten sie, zwei konkurrierende Modelle dafür zu testen, was passiert, wenn HR auftritt. In einem Fall wickelt RecA während der „Homologiesuche“ einen Abschnitt des Doppelstrangs ab und versucht dabei, den richtigen Ort für die Stranginvasion zu finden. Im zweiten Fall erfolgt nach der Bindung von RecA kein Abwickeln; Erst wenn eine Stranginvasion stattfindet, kommt es zu einer Abwicklung.
Das Team hat in Zusammenarbeit mit einem Team des Tokyo Metropolitan Institute of Medical Science zwei Ansätze gewählt, um herauszufinden, was davon tatsächlich passiert. Im ersten Fall verwendeten sie eine Mutante von RecA, die die Doppelstränge nicht trennen, also den Strang nicht abwickeln kann, um zu sehen, ob dies die DNA-Reparatur beeinträchtigt. Es stellt sich heraus, dass dies nur minimale Auswirkungen hat. Im zweiten Schritt versuchten sie zu messen, wie viel Torsion in den verschiedenen Phasen des Prozesses im Strang erzeugt wurde. Sie fanden heraus, dass die einzige Torsion aufgrund des Abwickelns, die sie feststellen konnten, nach Abschluss der Homologiesuche auftrat, dh als die Stranginvasion stattfand. Das Team zeigte erstmals deutlich, dass das zweite Modell richtig war.
Detaillierte Einblicke in die homologe Rekombination sind entscheidend, um zu verstehen, was passiert, wenn etwas schief geht. Beispielsweise sind Faktoren, die an Brustkrebs beteiligt sind (BRCA1 und BRCA2), auch für die korrekte Beladung einzelsträngiger DNA auf RAD51, der menschlichen Version von RecA, verantwortlich. Dies deutet darauf hin, dass Probleme mit der HR die Ursache für eine hohe Brustkrebsinzidenz bei Patientinnen mit erblichen Defekten in BRCA1 oder BRCA2 sein könnten. Das Team hofft, dass Erkenntnisse wie die ihren neue Wege in der Krebsforschung eröffnen werden.
Diese Arbeit wurde von JSPS KAKENHI Grant Number JP22K06335 unterstützt.
Quelle:
Tokyo Metropolitan University
Zeitschriftenreferenz:
Shibata, T., et al. (2024). Homologieerkennung ohne doppelsträngige DNA-Strangtrennung bei der D-Loop-Bildung durch RecA. Nukleinsäureforschung. doi.org/10.1093/nar/gkad1260.
