DNA ist als Bauplan des Lebens bekannt, der für einen Organismus notwendig ist, um lebende Prozesse zu ermöglichen. DNA kann durch verschiedene Faktoren wie radikalische Metaboliten, Strahlung und einige toxische Chemikalien geschädigt werden. Da DNA ein Molekül ist, das aus zwei Strängen besteht, können einer oder beide Stränge beschädigt werden.
Ein Einzelstrangbruch (SSB) tritt auf, wenn einer der beiden DNA-Stränge beschädigt oder gebrochen ist. Hierbei handelt es sich um relativ leichte Schäden, die leicht durch spezielle Enzyme repariert werden können, die den Bruch versiegeln und die Integrität des DNA-Moleküls wiederherstellen können. Andererseits spricht man von einem Doppelstrangbruch (DSB), wenn beide DNA-Stränge beschädigt sind. Sie gelten als die schwerste Art von DNA-Schäden und können genetische Mutationen oder Zelltod verursachen.
Zellen bewahren die Integrität des Genoms, indem sie über verschiedene Wege zur Reparatur von DSBs verfügen. Unter den verschiedenen Mechanismen zur Reparatur von DSBs ist die homologe Rekombinationsreparatur (HR) einer dieser Mechanismen, der äußerst präzise und fehlerfrei ist, da er das unbeschädigte Schwesterchromatid als Vorlage für die Reparatur von DSBs verwendet. Andererseits kann DNA, die durch Polymerase-Theta-vermittelte Endverknüpfung (TMEJ) repariert wird, zum Verlust einiger genetischer Informationen führen und Mutationen verursachen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, den geeigneten DSB-Reparaturprozess zu wählen, um die Genomintegrität aufrechtzuerhalten.
Doch wie wählen Zellen den richtigen Reparaturprozess aus? Und welche Arten von Proteinen sind am Selektionsprozess beteiligt?
Unter der Leitung von Professor Myung Kyungjae, Direktor des Center of Genomic Integrity (CGI) am Institute for Basic Science (IBS), den Forschungsteams von Professor Lee Ja Yil am Ulsan National Institute of Science and Technology und Professor Oh Jung-Min am Die Pusan National University hat herausgefunden, dass Reparaturproteine, die an der DSB-Reparatur, der Mismatch-Reparatur und dem TMEJ beteiligt sind, während des DSB-Reparaturprozesses eng miteinander verbunden sind und miteinander interagieren. Ihre Arbeit wurde veröffentlicht in Nukleinsäureforschung am 4. Mai 2023.
In unseren Zellen gibt es verschiedene Reparaturmechanismen, die jeweils auf die Art der DNA-Schädigung abgestimmt sind. Beispielsweise werden DSBs durch DSB-Reparaturproteine repariert, während falsch gepaarte DNA-Basen durch Mismatch-Reparaturproteine repariert werden. Bisher gingen die meisten Forscher davon aus, dass eine bestimmte Art von DNA-Schaden nur durch den entsprechenden DNA-Reparaturmechanismus repariert werden kann.
Diese Studie ergab jedoch, dass Reparaturproteine, von denen früher angenommen wurde, dass sie für verschiedene Reparaturmechanismen verantwortlich sind, miteinander interagieren können, um beschädigte Stellen zu erkennen und einen geeigneten Reparaturmechanismus auszuwählen.
Konkret zeigte sich, dass MSH2-MSH3, ein DNA-Mismatch-Reparaturprotein, tatsächlich eine entscheidende Rolle im DSB-Reparaturprozess spielt. Die Forscher beobachteten die Rekrutierung des mit fluoreszierendem Protein markierten MSH2-MSH3-Proteins an die Stelle der DSBs und zeigten, dass diese Bewegung durch die Bindung mit dem Chromatin-Remodelling-Protein namens SMARCAD1 erfolgt. Die Bindung von MSH2-MSH3 an DSBs erleichtert die Rekrutierung von EXO1 (Exonuklease 1) für die Resektion beschädigter DNA über große Entfernungen.
Nach der Fernresektion wird die beschädigte DNA durch fehlerfreie HR repariert. Darüber hinaus wurde entdeckt, dass die Bindung von MSH2-MSH3 den Zugang von POLθ hemmt, was einen fehleranfälligeren TMEJ-Weg vermittelt und dadurch Mutationen verhindert, die während der DSB-Reparatur auftreten können.
Direktor Myung sagte: „Diese Forschung hat eine neue Funktion des Mismatch-Reparaturproteins MSH2-MSH3 bei der Regulierung der DSB-Reparatur aufgedeckt.“ Es zeigt sich nun, dass die Wege zur Reparatur und TMEJ-Reparatur eng miteinander interagieren, um die genomische Integrität ordnungsgemäß aufrechtzuerhalten.“
Mehr Informationen:
Jung-Min Oh et al., MSH2-MSH3 fördert die DNA-Endresektion während der homologen Rekombination und blockiert die Polymerase-Theta-vermittelte Endverknüpfung durch Interaktion mit SMARCAD1 und EXO1. Nukleinsäureforschung (2023). DOI: 10.1093/nar/gkad308