Homologe Rekombination

Die Homologe Rekombination spielt während der DNA Replikation sowohl bei der Reparatur von DNA-DSB während der Mitose als auch beim Austausch genetischer Information während der Meiose eine wichtige Rolle. Für die Genstilllegung ist lediglich die Rolle der HR während der DNA-Reparatur entscheidend, welche nun näher aufgezeigt wird.

Das klassische Modell der HR beinhaltet folgende Schritte (San Filippo et al., 2008):

a.) Inititation der HR durch einen DSB

b.) Prozessierung der doppelsträngigen DNA zu Einzelsträngen mit freien 3´OH-Enden c.) Formation des Rekombinase-Filaments an den Enden der Einzelstrang-DNA

d.) Detektion der homologen Sequenz auf dem Schwesterchromatid und Bildung des D-Loop Segmentes

e.) Verwendung der homologen Sequenz als Matrize für die Verlängerung des freien 3´OH Endes

f.) Einfangen des zweiten DSB-Endes durch Annealing am verlängerten D-Loop Segment g.) Reparatur des DSB

Der Mechanismus der HR wird hier anhand der Prozesse in eukaryotischen Zellen verdeutlicht.

Viele der beschriebenen Schritte sind jedoch auch in Hefen konserviert und dort untersucht worden.

1.2.2.1.1 Prä-Synapsis

Die Initiation des DNA-Reparatur Komplexes der HR erfolgt in einer zeitlich und räumlich geordneten Form. Zuerst formiert sich der primäre Sensorkomplex MRN (MRE11-RAD50-NBS1), welcher die beschädigte DNA detektiert (Abbildung 8). Dieser Komplex ist entscheidend für die Rekrutierung der DDR-Kinase (DNA-Damage-Response) ATM, welche die Histone-H2AX der umgebenden Nukleosomen phosphoryliert. Phosphorylierte H2AX-Histone binden nun an das MDC1-Protein, welches als Platform für die Chromatin-Restrukturierungsproteine (53BP1 und BRCA1) dient. Die Bindung dieser Proteine führt schließlich zur Rekrutierung von Nukleasen (CtIP, Exo1 Nukleasen), welche die Bildung eines DNA-Einzelstranges katalysieren. An die so entstandene ssDNA bindet das Replikationsprotein A (RPA) (Misteli and Soutoglou, 2009).

Die Enzyme, welche für die Paarung und den Austausch von DNA während der HR verantwortlich sind, werden Rekombinasen genannt. Sie vermitteln die Reaktion der homologen DNA-Paarung und des DNA-Strangaustausches. Es existieren zwei Rekombinasen in eukaryotischen Zellen, Rad51 und Dmc1. Dmc1 ist nur während der Meiose aktiv und wird daher hier nicht näher beschrieben. Rad51 hingegen ist sowohl in der Meiose als auchin der Mitose aktiv. Wie auch für viele andere Enzyme der HR, wurden die meisten Rad51 Experimente in S. cervisiae durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass rad51-Mutanten hypersensitiv gegenüber DNA schädigenden Agenzien sind und Fehler in der mitotischen und meiotischen Rekombination auftreten. Das Rad51-Protein bindet an ssDNA oder dsDNA und bildet dabei rechts gedrehte helikale Polymere. Das Rad51-DNA Nukleoproteinfilament beinhaltet dabei ~18-19 Basen oder Basenpaare und ~6 Monomere des Rad51 Proteins. Biochemische Analysen haben gezeigt, dass das Rad51-ssDNA Nukleoproteinfilament fähig ist, die Hybridisierung mit der homologen DNA zu katalysieren (San Filippo et al., 2008). Es zeigte sich aber auch, dass Rad51 nicht in der Lage ist, ssDNA in der Anwesenheit von RPA zu binden. Daher muss Rad51 zuvor mit dem BRCA2-Protein, ein bekanntes Tumoronkogen, assoziieren. BRCA2 enthält acht repetitive Domänen, an welche Rad51 binden kann. Hierbei binden die Domänen 1-4 freies Rad51 mit hoher Affinität. Hingegen zeigen die Domänen 5-8 nur eine sehr geringe Affinität für freies Rad51, jedoch eine sehr hohe Affinität für das ssDNA-Rad51 Nukleoproteinfilament. Durch diesen Mechanismus ist es BRCA2 möglich, weitere Rad51-Proteine an ein bestehendes Nukleoproteinfilament anzufügen und dabei die an die ssDNA gebundenen RPA-Proteine zu verdrängen (Carreira and Kowalczykowski, 2011).

1.2.2.1.2 Synapsis¹

Im nächsten Schritt muss das Rad51-Nukleoproteinfilament eine homologe Sequenz finden, um durch Hybridisierung mit dem komplementären Strang einen sogenannten D-Loop zu bilden.

Dieser als „Synapsis“ bezeichnete Prozess generiert einen DNA-Dreifachstrang, welcher als Ausgangspunkt für die weiteren Schritte dient. Eines der wichtigsten Proteine zur Prozess-Steuerung ist dabei das Rad54-Motorprotein. Rad54 bindet an das Rad51-Nukleoprotein-Filament und in Abhängigkeit von ATP findet eine Translokation auf der DNA statt. Experimentell konnte dabei gezeigt werden, dass in Anwesenheit von ATP und Rad54 eine Stimulation des Rad51 vermittelten DNA-Strangaustausches stattfindet (Heyer et al., 2006). Rad54 spielt daher nicht nur eine wichtige Rolle bei der Homologiesuche durch die Translokation, sondern auch durch die Aufwindung der Duplex-DNA und der Verdrängung der Nukleosomen (Heyer et al., 2006). Der Prozess der Homologiesuche lässt noch viele Fragen offen und ist immer noch wenig ergründet, allerdings deuten neuere Forschungsergebnisse darauf hin, dass kleine nicht-kodierende RNAs eine bisher unbekannte aber wichtige Rolle spielen. Wei et al. konnten sowohl in humanen als auch in pflanzlichen Zellen zeigen, dass durch Erzeugung eines DSBs kleine nicht-kodierende RNAs entstehen. Diese sogenannten diRNAs (Doppelstrangbruch induzierte RNA) entstehen durch die Transkription des antisense-Stranges upstream und downstream des DSBs. Es entstehen Transkripte, welche komplementär zur mRNA sind und mit dieser hybridisieren. Die Entstehung doppelsträngiger RNA führt zum Abbau der dsRNA mittels der RNAi-Maschinerie (DICER oder DICER-like; siehe auch Kapitel 1.4.3) und zur Entstehung 21nt langer RNA Sequenzen, welche von sogenannten ARGONAUT Proteinen gebunden werden. Die bisherige Hypothese sieht dabei vor, dass die diRNA-AGO-Komplexe entlang des DSB an die DNA binden und zu einer Rekrutierung der DNA-Reparaturmaschinerie führen, entweder durch direkte Interaktion oder durch Remodellierung des Chromatins (Wei et al., 2012).

Wurde eine komplementäre DNA-Sequenz gefunden, ermöglicht Rad54 den DNA-Polymerasen an die freien 3´OH Enden zu binden. Dies geschieht durch Verdrängen des Rad51-Proteins von der ssDNA. Anhand der nun vorliegenden Matrize werden die freien Enden verlängert und es bildet

1.2.2.1.3 Post-Synapsis

Im dHJ-Weg hybridisiert der durch das Nukleoproteinfilament verdrängte Strang mit dem zweiten Ende des DSBs. Dieser Vorgang wird durch Rad52 katalysiert. Das so gebildete Intermediat kann durch Verknüpfung aller freien Enden zu einer vollständigen dHJ reifen (Abbildung 10). Die gebildeten Intermediate können durch spezielle Endonukleasen in Crossover oder nicht-Crossover Produkte aufgelöst werden. Die Art des dHJ-Intermediates (nicked, unvollständige dHJ) ist ausschlaggebend dafür, welche Endonuklease die Struktur auflöst und ob ein Crossing-Over stattfindet (Ceballos and Heyer, 2011). Auch die entstehenden doppelsträngigen Produkte unterscheiden sich je nach Endonuklease.

Mus81-Mms4 katalysiert zum Beispiel die Intermediate zu Doppelsträngen mit kurzen fünf Nukleotide langen Überhängen (flaps) beziehnungsweise Lücken (Hollingsworth and Brill, 2004).

Ebenfalls können die Holliday-Intermediate durch HJ-Resolvasen (Crossover oder nicht-Crossover) oder den Helikase/Topoisomerase Komplex BLM/TOPOIIIα (Crossover) gelöst werden

SDSA (Synthesis-Dependent Strand Annealing) ist das zweite alternative Modell und beendet die DNA-Reparatur ohne die Bildung einer Holliday-Struktur und ohne ein erfolgtes Crossover. In somatischen Zellen ist dies der dominante Reparaturmechanismus, da es hierbei zu keinem Crossover kommt, wodurch mögliche fehlerhafte Umordnungen der Chromosomem vermieden werden. Auch beim SDSA bildet sich zunächst eine dHJs, die jedoch durch eine Helikase (Srs2)

Nukeloproteinfilament hybridisierte ssDNA-Strang von einer DNA-Polymerase verlängert. Der verlängerte Strang wird dann von der DNA-Matritze gelöst und hybridisiert mit dem zweiten Ende des DSBs. Bestehende Lücken werden aufgefüllt und die Enden wieder ligiert (Abbildung 10) (Adelman and Boulton, 2010).