Кіріспе
ДНҚ-ның қос жіп үзілуін қалпына келтіретін жол. Гомологты емес ұштардың бірігуі (NHEJ) – ДНҚ-ның қос жіп үзілуін қалпына келтіретін механизм. Ол "гомологты емес" деп аталады, себебі үзіліс ұштары гомологты матрицаны қажет етпей тікелей біріктіріледі, гомологияға бағытталған жөндеуден (HDR) өзгеше, ол жөндеуді бағыттау үшін гомологты тізбекті қажет етеді. NHEJ бөлінбейтін және бөлінетін жасушаларда активті, ал HDR бөлінбейтін жасушаларда оңай қолжетімді емес. "Гомологты емес ұштардың бірігуі" термині 1996 жылы Мур және Хабер есімді ғалымдар тарапынан ұсынылған. NHEJ әдетте микрогомология деп аталатын қысқа гомологты ДНК тізбектерімен басқарылады. Бұл микрогомологиялар көбінесе қос жіп үзілістерінің ұштарындағы бір жіпті үстірттерде кездеседі. Егер үстірттер толық сәйкес келсе, NHEJ үзілісті әдетте дәл қалпына келтіреді. Дәл емес жөндеу, нәтижесінде нуклеотидтердің жоғалуы да мүмкін, бірақ бұл үстірттер сәйкес келмеген кезде жиі кездеседі. Бұрыс NHEJ транслокациялар мен теломералық бірігуге алып келуі мүмкін, бұл ісік жасушаларының ерекше белгілері. NHEJ механизмдерінің барлық дерлік биологиялық жүйелерде кездесетіні және сүтқоректілер жасушаларында қос жіп үзілуін қалпына келтірудің басым жолы екені түсініледі. Дегенмен, қабыршақ тәрізді ашытқыда (Saccharomyces cerevisiae) гомологты рекомбинация, егер организм зертханалық жағдайларда өсірілсе, басымдық танытады. NHEJ жолы бұрыс болған жағдайда, қос жіп үзілуі микрогомологиямен бағытталған ұштардың бірігуі (MMEJ) деп аталатын, қатеге бейім механизм арқылы қалпына келтіріледі. Бұл жолдағы ұштардың резекциясы үзілістің екі жағындағы қысқа микрогомологияларды ашады, содан кейін олар жөндеуді бағыттау үшін сәйкестендіріледі. Бұл классикалық NHEJ-ден өзгеше, ол әдетте DSB ұштарындағы бір жіпті үстірттерде бұрыннан ашылған микрогомологияларды пайдаланады. Сондықтан MMEJ арқылы жөндеу микрогомологиялар арасындағы ДНК тізбесінің жойылуына әкеледі.
Non homologous end joining (NHEJ) is a pathway that repairs double strand breaks in DNA. It is called "non homologous" because the break ends are directly ligated without the need for a homologous template, in contrast to homology directed repair (HDR), which requires a homologous sequence to guide repair. NHEJ is active in both non dividing and proliferating cells, while HDR is not readily accessible in non dividing cells. The term "non homologous end joining" was coined in 1996 by Moore and Haber. NHEJ is typically guided by short homologous DNA sequences called microhomologies. These microhomologies are often present in single stranded overhangs on the ends of double strand breaks. When the overhangs are perfectly compatible, NHEJ usually repairs the break accurately. Imprecise repair leading to loss of nucleotides can also occur, but is much more common when the overhangs are not compatible. Inappropriate NHEJ can lead to translocations and telomere fusion, hallmarks of tumor cells. NHEJ implementations are understood to have been existent throughout nearly all biological systems and it is the predominant double strand break repair pathway in mammalian cells. In budding yeast (Saccharomyces cerevisiae), however, homologous recombination dominates when the organism is grown under common laboratory conditions. When the NHEJ pathway is inactivated, double strand breaks can be repaired by a more error prone pathway called microhomology mediated end joining (MMEJ). In this pathway, end resection reveals short microhomologies on either side of the break, which are then aligned to guide repair. This contrasts with classical NHEJ, which typically uses microhomologies already exposed in single stranded overhangs on the DSB ends. Repair by MMEJ therefore leads to deletion of the DNA sequence between the microhomologies.
және археялар
Көптеген бактерия түрлері, соның ішінде Escherichia coli, аяқталу жолын (end joining pathway) қолдамайды, сондықтан қос тізбектің үзілуін жөндеу үшін гомологтық рекомбинацияға толық сеніп өтеді. NHEJ ақуыздары бірқатар бактерияларда, оның ішінде Bacillus subtilis, Mycobacterium tuberculosis және Mycobacterium smegmatis анықталды. Бактериялар өте ықшам NHEJ нұсқасын пайдаланады, онда қажетті барлық функциялар тек екі ақуызда: Ku гомодимерінде және көп функциялы лигаза/полимераза/нуклеаза LigD-де шоғырланған. Микобактерияларда NHEJ ашытқыға қарағанда қателікке бейім, себебі жөндеу кезінде қос тізбектің үзілулерінің ұштарына әдетте негіздер қосылып, жойылады. Methanocella paludicola-дағы археялық NHEJ жүйесінде гомодимерлік Ku бар, бірақ LigD-нің үш функциясы оперонды бөлісетін үш жеке доменді ақуызға бөлінген. Барлық үш геннің де LigD аналогтарымен айтарлықтай гомологиясы сақталады, ал полимераза rNTP-ге қалаушылық танытады. NHEJ бактериялар мен археяларда бірнеше рет жоғалып, қайта пайда болды, сондай-ақ, горизонтальды гендер алмасу жүйеге таксономиялық топтар арасында өзгерістер енгізді. Mycobacterium smegmatis-тің екі туысқан микобактериофагтары – Corndog және Omega, Ku гомологтарын кодтайды және инфекция кезінде геномдарын қайта айналдыру үшін NHEJ жолын пайдаланады. Бактерияларда кеңінен зерттелген гомологтық рекомбинациядан өзгеше, NHEJ бастапқыда эукариоттарда ашылған, ал прокариоттарда тек соңғы он жылдықта ғана анықталды.
Байлауды және байлауды тоқтату
Ашытқыда Mre11 Rad50 Xrs2 (MRX) кешені ДНҚ үзілістеріне (ДСБ) ерте тартады және ДНҚ ұштарының бірігуіне көмектеседі деп саналады. Сүтқоректілердегі Mre11 Rad50 Nbs1 (MRN) кешені де NHEJ процесіне қатысады, бірақ ол ұштарын жақын ұстаудан өзге, осы жолдың бірнеше кезеңінде жұмыс істей алады. ДНҚ PKcs сүтқоректілердің NHEJ кезінде ДНҚ ұштарының бірігуіне қатысады деп есептеледі. Эукариотикалық Ku Ku70 және Ku80 гетеродимерінен тұрады, және ДНҚ PKcs-пен кешен құрайды, ол сүтқоректілерде кездеседі, бірақ ашытқыда жоқ. Ku – ДНҚ ұшына сығалап кіретін және ішке қарай жылғалатын себет тәрізді молекула. Ku басқа NHEJ ақуыздары үшін байланыс орны ретінде жұмыс істей алады және ДНҚ лигаза IV кешенімен және XLF-пен өзара әрекеттеседі.
Соңғы өңдеу
Соңғы өңдеу зақымдалған немесе сәйкес келмейтін нуклеотидтерді нуклеазалармен жою және ДНК полимеразалармен қайта синтездеуді қамтиды. Егер ұштары 3' гидроксил және 5' фосфат тобымен аяқталған болса, бұл қадам қажет емес. НХЕЖ-де нуклеазалардың функциясы туралы көп мәлімет жоқ. Артемида V(D)J рекомбинациясы кезінде – НХЕЖ-дің нақты түрі – ДНК ұштарында түзілген түйіндік құрылымдарды ашу үшін қажет, сондай-ақ жалпы НХЕЖ кезінде ұштарды қысқартуға қатысуы мүмкін. Mre11 нуклеазалық белсенділікке ие, бірақ ол НХЕЖ емес, гомологтық рекомбинацияға қатысқан сияқты. Х отбасы ДНК полимеразалары Pol λ және Pol μ (ашытқыда Pol4) НХЕЖ кезінде кеңістіктерді толтырады. Pol4 жетіспейтін ашытқылар 3' кеңістіктерді толтыруды қажет ететін кеңістіктерді толтыра алмайды, бірақ 5' кеңістіктерді толтыруда бұрынғыдай тиімді. Бұл ДНК синтезін бастау үшін қолданылатын праймерлік ұшы 3' кеңістікте тұрақсыз болғандықтан, арнайы НХЕЖ полимеразасы қажет.
Түйілу
ДНҚ лигаза IV кешені, каталитикалық ДНҚ лигаза IV суббірлігі және оның кофакторы XRCC4 (ашытқыда Dnl4 және Lif1) тұрады, жөндеудің лигация сатысын орындайды. XLF, сондай-ақ Cernunnos деп те аталады, ашытқы Nej1-ге гомологты және NHEJ үшін де қажет. XLF-тің нақты қызметі белгісіз болғанымен, ол XRCC4/ДНҚ лигаза IV кешенімен өзара әрекеттеседі және, мүмкін, лигация сатысына қатысады. Жақындағы зерттеулер XLF ДНҚ лигаза IV-тің қайта аденилдеуіне, лигазаны қайта зарядтауға және екінші лигацияны катализдеуге көмектесетінін көрсетеді.
Реттеу
Екі жіптің үзілуін қалпына келтіру үшін NHEJ және гомологтық рекомбинация арасындағы таңдау рекомбинацияның алғашқы қадамында, 5'-ұшының резекциясында реттеледі. Осы қадамда, үзілістің 5'-жібі нуклеазалармен ыдырайды, нәтижесінде ұзын 3'-бір жіпті құйрықтар пайда болады. Резекцияланбаған ДСБ (екі жіпті үзіліс) NHEJ арқылы қайта біріктірілуі мүмкін, бірақ тіпті бірнеше нуклеотидтің резекциясы NHEJ-ді күрт тежейді және үзілісті рекомбинация арқылы жөндеуге бағыттайды.
V ((D) J рекомбинациясы
NHEJ омыртқалы жануарлардың иммундық жүйесінде В және Т жасушалары рецепторларының әртүрлілігін қалыптастыратын V(D)J рекомбинациясында маңызды рөл атқарады. V(D)J рекомбинациясында RAG1/RAG2 нуклеазасы рекомбинация сигналдық тізбектерінде ДНК-ны кесіп, шашты түймелі екі жіпті үзілістерді жасайды. Бұл шашты түймелер Artemis нуклеазасымен ашылады, содан кейін NHEJ арқылы біріктіріледі. Бұл процесс «өзгермелі» (V), «түрлілік» (D) және «қосылатын» (J) аймақтарды байланыстырады, олар біріктірілгенде В немесе Т жасушасы рецептор генінің өзгермелі аймағын құрайды. Типик жасушалық NHEJ-ден айырмашылығы, онда дәл жөндеу ең тиімді нәтиже болып табылады, V(D)J рекомбинациясындағы қатеге бейім жөндеу осы гендердің кодтау тізбегінің әртүрлілігін арттыру арқылы пайдалы. NHEJ гендерінде мутациясы бар пациенттер функционалды В және Т жасушаларын өндіре алмайды және ауыр біріктірілген иммуножеткіліксіздіктен (SCID) зардап шегеді.
Теломерлерде
Теломерлер әдетте, оларды қос тізбекті үзіліс ретінде тануға кедергі жасайтын "қақпақпен" қорғалған. Қақпақ ақуыздарының жоғалуы теломерлердің қысқаруына және NHEJ арқылы қате біріктіруге алып келеді, нәтижесінде дицентрикалық хромосомалар пайда болады, олар митоз кезінде екіге бөлінеді. Қарапайымдайы келгенде, кейбір NHEJ ақуыздары теломерлердің қақпағын құруға қатысады. Мысалы, Ku теломерлерге локалданады және оның жойылуы теломерлердің қысқаруына себеп болады. Ku субтеломерлік тыныштыққа да қажет, яғни теломерлерге жақын орналасқан гендердің өшірілу процесіне.
Функционалдық бұзылудың салдары
Адамның бірнеше синдромы дисфункционалды NHEJ-мен байланысты. LIG4 және XLF гендерінің гипоморфты мутациялары LIG4 синдромын және XLF SCID-ті тудырады. Бұл синдромдардың көптеген ортақ белгілері бар, оның ішінде жасушалық радисезімталдық, микроцефалия және V(D)J рекомбинациясының бұзылуынан туындаған ауыр біріктірілген иммуножеткіліксіздік (SCID). Артемис генінің жоғалу функциясы мутациялары да SCID-ті тудырады, бірақ бұл пациенттерде LIG4 немесе XLF мутацияларымен байланысты неврологиялық ақаулар байқалмайды. Бұл айырмашылық мутацияланған ақуыздардың атқаратын рөлімен түсіндірілуі мүмкін. Артемис – нуклеаза, және ол зақымдалған ұштары бар ДДҰ (ДНК-ның екі тізбегінің үзілуі) жөндеуі үшін ғана қажет деп есептеледі, ал ДНК лигаза IV және XLF барлық NHEJ оқиғалары үшін қажет. Гомолог емес ұштасуға қатысатын гендердегі мутациялар атаксия-телангиэктазияға (ATM гені), Фанкони анемиясына (көптеген гендер), сондай-ақ тұқым қуалайтын сүт безі және жұмыртқа безі қатерлі ісігіне (BRCA1 гені) алып келеді. Көптеген NHEJ гендері егешқұйрықтарда жойылған. XRCC4 немесе LIG4 жойылғанда, егешқұйрықта эмбрионалдық өлімге әкеледі, бұл сүтқоректілерде тірі қалу үшін NHEJ маңызды екенін көрсетеді. Керісінше, Ku немесе ДНК PKc жоқ егешқұйрықтар тірі қалады, өйткені бұл компоненттердің болмауында төмен деңгейдегі ұштардың қосылуы әлі де жүруі мүмкін. Барлық NHEJ мутант егешқұйрықтар SCID фенотипін, иондаушы сәулелерге сезімталдық және нейрондық апоптозды көрсетеді.
Қартаю
Тышқанда NHEJ тиімділігін өлшеу жүйесі әзірленді. NHEJ тиімділігін бір тышқанның тіндері арасында және әртүрлі жастағы тышқандарда салыстыру мүмкін болды. Тиімділік тері, өкпе және бүйрек фибробластарында жоғары, ал жүрек фибробластарында және ми астроциттерінде төмен болды. Сонымен қатар, жас өскен сайын NHEJ тиімділігі төмендеді. 5 айлық тышқандармен салыстырғанда 24 айлық тышқандарда бұл көрсеткіш тіндерге байланысты 1,8-3,8 есеге төмендеді. NHEJ қабілетінің төмендеуі жөнделмеген немесе қате жөнделген ДНК екі жіпті үзілістерінің көбеюіне алып келуі мүмкін, бұл өз кезегінде қартаюға ықпал етуі мүмкін. (ДНК зақымдану теориясы туралы да қараңыз). Адам, сиыр және тышқандағы NHEJ Ku80 ақуызының деңгейін талдау Ku80 деңгейінің түрлер арасында күрт өзгешелігін көрсетті, сондай-ақ бұл деңгейлер түрлердің ұзақ өмір сүруімен тығыз байланысты екені анықталды.