Unión de extremos mediada por microhomología

La unión de extremos mediada por microhomología ( MMEJ ), también conocida como unión de extremos no homólogos alternativos ( Alt-NHEJ ), es una de las vías para reparar roturas de doble cadena en el ADN. Como revisaron McVey y Lee, [1] la propiedad distintiva más importante de MMEJ es el uso de secuencias microhomólogas durante la alineación de los extremos rotos antes de la unión, lo que da como resultado deleciones que flanquean la rotura original. MMEJ se asocia con frecuencia con anomalías cromosómicas como deleciones, translocaciones, inversiones y otros reordenamientos complejos.

Existen múltiples vías para reparar roturas de doble cadena, principalmente unión de extremos no homólogos (NHEJ), recombinación homóloga (HR) y MMEJ. NHEJ une directamente ambos extremos de la rotura de doble cadena y es relativamente precisa, aunque a veces ocurren pequeñas inserciones o deleciones (generalmente menos de unos pocos nucleótidos). HR es altamente precisa y utiliza la cromátida hermana como plantilla para una reparación precisa de la DSB. MMEJ se distingue de estos otros mecanismos de reparación por su uso de secuencias microhomólogas para alinear las cadenas rotas. Esto da como resultado deleciones frecuentes y ocasionalmente inserciones que son mucho más grandes que las producidas por NHEJ [ cita requerida ] . MMEJ es completamente independiente de NHEJ clásica y no depende de factores centrales de NHEJ como la proteína Ku , DNA-PK o Ligasa IV. [2]

En la unión de extremos MMEJ, la reparación de la DSB se inicia con la resección de extremos por la nucleasa MRE, dejando salientes monocatenarios. [3] Estos salientes monocatenarios se unen en microhomologías, que son regiones cortas de complementariedad, a menudo de 5 a 25 pares de bases, entre las dos hebras. Una forma especializada de MMEJ, llamada unión de extremos mediada por polimerasa theta (TMEJ), es capaz de reparar roturas utilizando ≥1 pb de homología. [4] [5] El dominio helicasa de la ADN polimerasa theta posee actividad de unión de extremos monocatenarios dependiente de ATP y puede promover la unión de microhomologías. [6] Después de la unión, las nucleasas como Fen1 eliminan las bases salientes (colgajos) y la ADN polimerasa theta rellena los huecos. [7] Esta capacidad de rellenar huecos de la polimerasa theta ayuda a estabilizar la unión de extremos con una complementariedad mínima. Además de las huellas de microhomología, la firma mutacional de la polimerasa theta también consta de inserciones con plantilla (poco frecuentes), que se cree que son el resultado de una extensión dependiente de plantilla abortada, seguida de una reasociación en secuencias homólogas secundarias. [5]

Regulación del ciclo celular

La reparación de MMEJ es baja en la fase G0/G1, pero aumenta durante la fase S y la fase G2 del ciclo celular. [3] Por el contrario, NHEJ opera durante todo el ciclo celular, y la recombinación homóloga (HR) opera solo en S tardío y G2.

Elección de la vía de reparación de roturas de doble cadena

La elección de la vía que se utiliza para la reparación de roturas de doble cadena es compleja. En la mayoría de los casos, la MMEJ representa una proporción menor (10 %) de la reparación de roturas de doble cadena, probablemente en los casos en los que se resecan las roturas de doble cadena pero no hay una cromátida hermana disponible para la recombinación homóloga. [3] Las células que son deficientes en NHEJ clásica o HR suelen mostrar un aumento de MMEJ. Los factores de recombinación homóloga humana suprimen la MMEJ mutagénica después de la resección de roturas de doble cadena. [8]

Se requieren genes

Un sistema de ensayo bioquímico muestra que se requieren al menos 6 genes para la unión de extremos mediada por microhomología: FEN1 , Ligasa III , MRE11 , NBS1 , PARP1 y XRCC1 . [9] Estos seis genes están regulados positivamente en uno o más cánceres. En los humanos, la ADN polimerasa theta, codificada por el gen POLQ, desempeña un papel central en la unión de extremos mediada por microhomología. [7] La ​​polimerasa theta utiliza su dominio helicasa para desplazar la proteína de replicación A (RPA) de los extremos del ADN y promover la hibridación de microhomología. [6] La polimerasa theta también utiliza su actividad polimerasa para realizar la síntesis de relleno, lo que ayuda a estabilizar los extremos emparejados.

La helicasa Q, que se conserva en los humanos, es necesaria para la MMEJ independiente de la polimerasa theta, como se demuestra mediante análisis de la huella mutacional en Caenorrhabditis elegans . [10]

En el cáncer

Aproximadamente la mitad de todos los cánceres de ovario son deficientes en recombinación homóloga (HR). Estos tumores deficientes en HR regulan positivamente la polimerasa theta (POLQ), lo que resulta en un aumento de MMEJ. [11] Estos tumores dependen excesivamente de MMEJ, por lo que la supresión de la polimerasa theta resulta en una letalidad sustancial. En la mayoría de los tipos de células, MMEJ hace una contribución menor a la reparación de la rotura de doble cadena. La hiperdependencia de los tumores deficientes en HR de MMEJ puede representar un posible objetivo farmacológico para el tratamiento del cáncer.

La MMEJ siempre implica inserciones o deleciones, por lo que es una vía mutagénica. [12] Las células con MMEJ aumentado pueden tener mayor inestabilidad genómica y una predisposición al desarrollo de cáncer, aunque esto no se ha demostrado directamente.

En un crustáceo

Penaeus monodon es un crustáceo marino muy consumido por su valor nutricional. La reparación de roturas de doble cadena en este organismo puede ocurrir mediante HRR, pero la NHEJ es indetectable. [13] Si bien la HRR parece ser la principal vía de reparación de roturas de doble cadena, también se descubrió que la MMEJ desempeña un papel importante en la reparación de roturas de doble cadena de ADN. [13]

Referencias

  1. ^ McVey M, Lee SE (noviembre de 2008). "Reparación de roturas de doble cadena mediante MMEJ (versión del director): secuencias eliminadas y finales alternativos". Tendencias en genética . 24 (11): 529–538. doi :10.1016/j.tig.2008.08.007. PMC  5303623 . PMID  18809224.
  2. ^ Simsek D, Jasin M (abril de 2010). "La unión de extremos alternativos es suprimida por el componente canónico NHEJ Xrcc4-ligasa IV durante la formación de la translocación cromosómica". Nature Structural & Molecular Biology . 17 (4): 410–416. doi :10.1038/nsmb.1773. PMC 3893185 . PMID  20208544. 
  3. ^ abc Truong LN, Li Y, Shi LZ, Hwang PY, He J, Wang H, et al. (mayo de 2013). "La unión de extremos mediada por microhomología y la recombinación homóloga comparten el paso inicial de resección de extremos para reparar roturas de doble cadena de ADN en células de mamíferos". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 110 (19): 7720–7725. Bibcode :2013PNAS..110.7720T. doi : 10.1073/pnas.1213431110 . PMC 3651503 . PMID  23610439. 
  4. ^ Roerink SF, van Schendel R, Tijsterman M (junio de 2014). "Unión de extremos de roturas de ADN asociadas a la replicación mediada por polimerasa theta en C. elegans". Genome Research . 24 (6): 954–962. doi :10.1101/gr.170431.113. PMC 4032859 . PMID  24614976. 
  5. ^ ab Schimmel J, van Schendel R, den Dunnen JT, Tijsterman M (septiembre de 2019). "Inserciones con plantilla: una prueba irrefutable de la unión de extremos mediada por la polimerasa theta". Tendencias en genética . 35 (9): 632–644. doi :10.1016/j.tig.2019.06.001. PMID  31296341. S2CID  195892718.
  6. ^ ab Mateos-Gomez PA, Kent T, Deng SK, McDevitt S, Kashkina E, Hoang TM, et al. (diciembre de 2017). "El dominio helicasa de Polθ contrarresta RPA para promover alt-NHEJ". Nature Structural & Molecular Biology . 24 (12): 1116–1123. doi :10.1038/nsmb.3494. PMC 6047744 . PMID  29058711. 
  7. ^ ab Sfeir A, Symington LS (noviembre de 2015). "Unión de extremos mediada por microhomología: ¿un mecanismo de supervivencia de respaldo o una vía dedicada?". Tendencias en ciencias bioquímicas . 40 (11): 701–714. doi :10.1016/j.tibs.2015.08.006. PMC 4638128. PMID  26439531 . 
  8. ^ Ahrabi S, Sarkar S, Pfister SX, Pirovano G, Higgins GS, Porter AC, Humphrey TC (julio de 2016). "Un papel de los factores de recombinación homóloga humana en la supresión de la unión de extremos mediada por microhomología". Nucleic Acids Research . 44 (12): 5743–5757. doi :10.1093/nar/gkw326. PMC 4937322 . PMID  27131361. 
  9. ^ Sharma S, Javadekar SM, Pandey M, Srivastava M, Kumari R, Raghavan SC (marzo de 2015). "Homología y requisitos enzimáticos de la unión de extremos alternativos dependiente de la microhomología". Muerte celular y enfermedad . 6 (3): e1697. doi :10.1038/cddis.2015.58. PMC 4385936 . PMID  25789972. 
  10. ^ Kamp JA, Lemmens BB, Romeijn RJ, Changoer SC, van Schendel R, Tijsterman M (diciembre de 2021). "La Helicasa Q promueve la reparación de roturas de doble cadena del ADN basada en homología y previene las duplicaciones en tándem". Comunicaciones de la naturaleza . 12 (1): 7126. Código bibliográfico : 2021NatCo..12.7126K. doi :10.1038/s41467-021-27408-z. PMC 8654963 . PMID  34880204. 
  11. ^ Ceccaldi R, Liu JC, Amunugama R, Hajdu I, Primack B, Petalcorin MI, et al. (febrero de 2015). "Los tumores deficientes en recombinación homóloga dependen de la reparación mediada por Polθ". Nature . 518 (7538): 258–262. Bibcode :2015Natur.518..258C. doi :10.1038/nature14184. PMC 4415602 . PMID  25642963. 
  12. ^ Liang L, Deng L, Chen Y, Li GC, Shao C, Tischfield JA (septiembre de 2005). "Modulación de la unión de extremos de ADN por proteínas nucleares". The Journal of Biological Chemistry . 280 (36): 31442–31449. doi : 10.1074/jbc.M503776200 . PMID  16012167.
  13. ^ ab Srivastava S, Dahal S, Naidu SJ, Anand D, Gopalakrishnan V, Kooloth Valappil R, Raghavan SC (abril de 2017). "La reparación de la rotura de doble cadena del ADN en Penaeus monodon depende predominantemente de la recombinación homóloga". DNA Research . 24 (2): 117–128. doi :10.1093/dnares/dsw059. PMC 5397610 . PMID  28431013. 

Referencias generales

  • Reparación de roturas de doble cadena mediante MMEJ (versión del director): secuencias eliminadas y finales alternativos
  • La reparación de la rotura de doble cadena de ADN en el cáncer de vejiga humano es propensa a errores e implica la unión de extremos asociada a la microhomología
  • Diferencias distintivas en la reparación de roturas de doble cadena de ADN entre células uroteliales normales y células de carcinoma urotelial
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