Введение

Система исправления ошибок в основаниях репликации ДНК. Ремонт неспаренных оснований ДНК (MMR) – это система распознавания и восстановления ошибочных вставок, делеций и неправильного включения оснований, которые могут возникать во время репликации и рекомбинации ДНК, а также восстановления некоторых видов повреждений ДНК. Ремонт неспаренных оснований специфичен для цепи. Во время синтеза ДНК вновь синтезированная (дочерняя) цепь обычно содержит ошибки. Для начала восстановления механизм ремонта неспаренных оснований различает вновь синтезированную цепь от матрицы (родительской). У грамотрицательных бактерий временная гемиметиляция позволяет различать цепи (родительская метилируется, а дочерняя – нет). Однако у других прокариот и эукариот точный механизм неясен. Предполагается, что у эукариот вновь синтезированная отстающая цепь ДНК временно содержит разрывы (до того, как они будут запечатаны ДНК-лигазой) и предоставляет сигнал, направляющий системы коррекции неспаренных оснований к соответствующей цепи. Это подразумевает, что эти разрывы должны присутствовать и в ведущей цепи, и недавние данные подтверждают это. Недавние исследования показали, что разрывы являются местами для RFC-зависимой загрузки репликационного скользящего зажима, пролиферативного клеточного ядерного антигена (PCNA), в определенной ориентации, так что одна сторона белка в форме пончика сопоставлена с 3'-OH концом в разрыве. Загруженный PCNA затем направляет действие эндонуклеазы MutLalpha на дочернюю цепь в присутствии неспаренного основания и MutSalpha или MutSbeta. Любое мутационное событие, нарушающее сверхспиральную структуру ДНК, потенциально может привести к компрометации генетической стабильности клетки. Тот факт, что системы обнаружения и восстановления повреждений столь же сложны, как и сам механизм репликации, подчеркивает важность, которую эволюция придает точности ДНК. Примеры неспаренных оснований включают пары G/T или A/C (см. Ремонт ДНК). Неспаривания обычно обусловлены таутомеризацией оснований во время репликации ДНК. Повреждение исправляется путем распознавания деформации, вызванной неспариванием, определения матричной и нематричной цепей, а также удаления неправильно включенного основания и замены его правильным нуклеотидом. Процесс удаления затрагивает не только сам неспаренный нуклеотид. Может быть удалено несколько или до тысяч пар оснований вновь синтезированной цепи ДНК.

Ремонтные белки диссонанса

Ремонт неспаривания – высококонсервативный процесс, встречающийся у прокариот и эукариот. Первые доказательства существования системы репарации неспаривания были получены на *S. pneumoniae* (гены *hexA* и *hexB*). Последующие исследования на *E. coli* выявили ряд генов, инактивация которых приводит к возникновению гипермутабельных штаммов. Продукты этих генов, соответственно, получили название белков "Mut" и являются основными активными компонентами системы репарации неспаривания. Три из этих белков необходимы для обнаружения неспаривания и направления репарационного механизма к нему: MutS, MutH и MutL (MutS является гомологом HexA, а MutL – HexB). MutS формирует димер (MutS2), который распознает неспаренное основание на дочерней цепи и связывается с мутировавшей ДНК. MutH связывается с гемиметилированными участками вдоль дочерней ДНК, но его активность находится в латентном состоянии и активируется только при контакте с димером MutL (MutL2), который связывает комплекс MutS-ДНК и выступает в роли медиатора между MutS2 и MutH, активируя последний. ДНК образует петлю для поиска ближайшего к неспариванию сайта метилирования d(GATC), который может находиться на расстоянии до 1 кб. После активации комплексом MutS-ДНК, MutH вносит разрыв в дочернюю цепь вблизи гемиметилированного участка. MutL рекрутирует UvrD-геликазу (ДНК-геликазу II) для разделения двух цепей с определенной 3'→5' полярностью. Затем весь комплекс MutSHL скользит вдоль ДНК в направлении неспаривания, высвобождая цепь, подлежащую удалению. Экзонуклеаза следует за комплексом и переваривает одноцепочечный ДНК-хвост. Какая экзонуклеаза будет рекрутирована, зависит от того, с какой стороны от неспаривания MutH вносит разрыв – с 5' или 3'. Если разрыв, сделанный MutH, находится на 5'-конце неспаривания, используются либо RecJ, либо ExoVII (обе – 5'→3' экзонуклеазы). Если же разрыв находится на 3'-конце неспаривания, используется ExoI (фермент 3'→5'). Весь процесс завершается после того, как участок неспаривания, то есть сам участок и окружающие его нуклеотиды, полностью удалены. Одноцепочечный пробел, созданный экзонуклеазой, затем может быть восстановлен ДНК-полимеразой III (при участии белка, связывающего одноцепочечную ДНК), которая использует комплементарную цепь в качестве матрицы, и, наконец, запечатан ДНК-лигазой. ДНК-метилаза затем быстро метилирует дочернюю цепь.

Гомологи MutS

При связывании димер MutS2 искривляет спираль ДНК и защищает примерно 20 пар оснований. Он обладает слабой АТФазной активностью, и связывание АТФ приводит к формированию третичных структур на поверхности молекулы. Кристаллическая структура MutS показывает, что она исключительно асимметрична, и хотя её активная конформация представляет собой димер, только одна из двух половин взаимодействует с участком несоответствия. У эукариот гомологи MutS образуют два основных гетеродимера: Msh2/Msh6 (MutSα) и Msh2/Msh3 (MutSβ). Путь MutSα в основном участвует в восстановлении замещений оснований и небольших петель несоответствия. Путь MutSβ также участвует в восстановлении небольших петель, помимо восстановления больших петель (~10 нуклеотидных петель). Однако MutSβ не восстанавливает замещения оснований.

Гомологи MutL

MutL также обладает слабой АТФазной активностью (он использует АТФ для осуществления движения). Он формирует комплекс с MutS и MutH, увеличивая область взаимодействия MutS с ДНК. Однако процессивность (расстояние, на которое фермент может перемещаться вдоль ДНК до диссоциации) UvrD составляет всего около 40–50 пар оснований. Поскольку расстояние между ником, созданным MutH, и неспариванием оснований может достигать в среднем ~600 пар оснований, если другой UvrD не загружен, размотанный участок ДНК может свободно реассоциировать со своей комплементарной цепью, заставляя процесс начинаться заново. Однако при участии MutL скорость загрузки UvrD значительно возрастает. Хотя процессивность (и потребление АТФ) отдельных молекул UvrD остается прежней, общий эффект на ДНК значительно усиливается: ДНК не успевает реассоциировать, поскольку каждый UvrD раскручивает 40–50 пар оснований ДНК, диссоциирует и затем немедленно заменяется другим UvrD, повторяя процесс. Это подвергает большие участки ДНК воздействию экзонуклеазного расщепления, обеспечивая быстрое удаление (и последующую замену) ошидочной ДНК. У эукариот существует пять гомологов MutL, обозначенных как MLH1, MLH2, MLH3, PMS1 и PMS2. Они образуют гетеродимеры, имитирующие MutL у *E. coli*. Гомологи прокариотического MutL формируют три комплекса, известные как MutLα, MutLβ и MutLγ. Комплекс MutLα состоит из субъединиц MLH1 и PMS2, гетеродимер MutLβ состоит из MLH1 и PMS1, а MutLγ – из MLH1 и MLH3. MutLα функционирует как эндонуклеаза, внося разрывы в дочерней цепи при активации неспариванием оснований и другими необходимыми белками, MutSα и PCNA. Эти разрывы служат точками входа для экзонуклеазной активности, удаляющей неспаренные участки ДНК. Роль MutLβ и MutLγ в восстановлении неспаривания оснований изучена недостаточно.

MutH: эндонуклеаза, присутствующая в E. coli и Salmonella

MutH — очень слабая эндонуклеаза, которая активируется после связывания с MutL (который, в свою очередь, связан с MutS). Она разрезает неметилированную ДНК и неметилированную цепь гемиметилированной ДНК, но не разрезает полностью метилированную ДНК. Эксперименты показали, что репарация неспаренных оснований происходит случайным образом, если ни одна из цепей не метилирована. Эти особенности позволили предположить, что MutH определяет, в какой цепи находится неспаренное основание. MutH не имеет эукариотических гомологов. Его эндонуклеазная функция берется на себя гомологами MutL, которые обладают некоторой специализированной 5'-3' экзонуклеазной активностью. Направленность на удаление неспаренных оснований с новосинтезированной дочерней цепи у эукариот может обеспечиваться свободными 3'-концами фрагментов Оказаки в новой цепи, образованной в процессе репликации.

ПКНА β-слидный зажим

PCNA и β-зажим скольжения ассоциируют с MutSα/β и MutS соответственно. Хотя первоначальные сообщения указывали на то, что комплекс PCNA-MutSα может усиливать распознавание неспаренных оснований, недавно было показано, что заметных изменений в аффинности MutSα к неспаренному основанию в присутствии или отсутствии PCNA не наблюдается. Более того, мутанты MutSα, не способные взаимодействовать с PCNA in vitro, сохраняют способность осуществлять распознавание и удаление неспаренных оснований на уровне, близком к дикому типу. Эти мутанты демонстрируют дефекты в реакции репарации, направляемой 5'-разрывом цепи, что впервые указывает на функцию MutSα на этапе, следующем за вырезанием.

Наследственные дефекты при ремонте несоответствия

Мутации в человеческих гомологах белков Mut влияют на геномную стабильность, что может приводить к микроспутниковой нестабильности (MSI), вовлеченной в развитие некоторых видов рака у человека. В частности, наследственный неполипозный колоректальный рак (HNPCC или синдром Линча) обусловлен повреждающими герминальными вариантами в генах, кодирующих гомологи MutS и MutL – MSH2 и MLH1 соответственно, которые, таким образом, классифицируются как гены-супрессоры опухолей. Один из подтипов HNPCC, синдром Мьюра-Торре (MTS), ассоциирован с опухолями кожи. Если обе унаследованные копии (аллели) гена MMR содержат повреждающие генетические варианты, это приводит к очень редкому и тяжелому состоянию: синдрому рака, связанному с дефектами системы репарации неспаренных оснований (или конституциональному дефициту системы репарации неспаренных оснований, CMMR D), проявляющемуся множественным развитием опухолей в раннем возрасте, часто опухолей толстой кишки и головного мозга.

МИО и иммунная реакция на блокдоны контрольных точек

В исследовании пациентов, демонстрирующих ответ на анти-PD1 терапию, было впервые выявлено, что мутации MMR и дефекты системы репарации неспаренных оснований связаны с эффективностью иммунотерапии ингибиторами контрольных точек. Впоследствии, связь между высоким уровнем нестабильности микросателлитов (MSI-H) и положительным ответом на анти-PD1 была подтверждена в проспективном клиническом исследовании и одобрена FDA.

Компоненты РПМ у человека

У человека семь белков репарации несоответствий ДНК (MMR) – MLH1, MLH3, MSH2, MSH3, MSH6, PMS1 и PMS2 – координированно действуют последовательно для инициирования репарации несоответствий ДНК. Помимо этого, существуют подпути MMR, зависимые от Exo1 и независимые от Exo1. Другие генные продукты, участвующие в репарации несоответствий (после инициирования генами MMR) у человека, включают ДНК-полимеразу дельта, PCNA, RPA, HMGB1, RFC и ДНК-лигазу I, а также факторы, модифицирующие гистоны и хроматин. В определенных обстоятельствах путь MMR может рекрутировать ДНК-полимеразу эта (POLH), склонную к ошибкам. Это происходит в B-лимфоцитах во время соматической гипермутации, где POLH используется для внесения генетического разнообразия в гены антител. Однако этот, склонный к ошибкам, путь MMR может быть активирован и в других типах клеток человека при воздействии генотоксинов, и, действительно, он широко активен в различных типах рака человека, вызывая мутации, несущие признаки активности POLH.

MMR и частота мутаций

Распознавание и исправление несоответствий и инделов важно для клеток, поскольку неспособность это делать приводит к микросателлитной нестабильности (МСИ) и повышенной спонтанной скорости мутаций (мутаторный фенотип). По сравнению с другими типами рака, рак с дефицитом MMR (МСИ) характеризуется очень высокой частотой мутаций, сопоставимой с меланомой и раком легких – типами рака, вызванными интенсивным воздействием УФ-излучения и мутагенных химических веществ. Помимо высокой мутационной нагрузки, дефицит MMR приводит к необычному распределению соматических мутаций по геному человека, что позволяет предположить, что MMR предпочтительно защищает генно-богатые, рано реплицирующиеся эухроматические области. В то же время, генно-бедные, поздно реплицирующиеся гетерохроматические области генома демонстрируют высокие скорости мутаций во многих опухолях человека. Модификация гистона H3K36me3, эпигенетический маркер активного хроматина, способна рекрутировать комплекс MSH2 MSH6 (hMutSα). Соответственно, области генома человека с высоким уровнем H3K36me3 накапливают меньше мутаций благодаря активности MMR. Более того, экспрессия MLH1 и MGMT тесно коррелировала в 135 образцах рака желудка, а потеря MLH1 и MGMT, по-видимому, синхронно ускорялась в процессе прогрессирования опухоли. Дефицитная экспрессия множественных генов репарации ДНК часто наблюдается при раке. У этих мышей в основном нормальное развитие и продолжительность жизни, за исключением раннего развития канцерогенеза и мужского бесплодия.