БИОХИМИЯ, 2011, том 76, вып. 1, с. 46 - 61
УДК 577.24
АНЕМИЯ ФАНКОНИ: НА ПЕРЕКРЕСТКЕ РЕПАРАЦИИ ДНК
Обзор
© 2011 г. Д.С. Дикин1, А.В. Мазин12*
1 Department of Biochemistry and Molecular Biology, Drexel University College of Medicine, Philadelphia, Pennsylvania 19102, USA; fax: 215-762-4452, E-mail: amazing@drexelmed.edu
2 Институт цитологии и генетики СО РАН, 630090 Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 10
Поступила в редакцию 26.08.10 После доработки 27.09.10
Анемия Фанкони (АФ) — это аутосомное заболевание, вызывающее нестабильность генома. Для пациентов с данным заболеванием характерны различные аномалии развития, поражение костного мозга в раннем возрасте и предрасположенность к развитию раковых заболеваний. АФ характеризуется нарушениями репарации ДНК, гиперчувствительностью к агентам, сшивающим ДНК, и высокой частотой хромосомных аберраций. Развитие АФ обусловливают 13 генов, продукты которых участвуют в поддержании стабильности генома. Исследования сети белков, вовлеченных в процесс репарации ДНК, способствовали выявлению новых АФ-подобных генов, мутации в которых приводили к развитию сходных симптомов. Большая часть АФ-белков играет роль переносчиков сигнала и поддерживающих белков, обеспечивающих репарацию ДНК за счет других механизмов. В обзоре собрана информация, известная сегодня об АФ-белках и других недавно открытых АФ-подобных белках.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: анемия Фанкони, ответ на повреждение ДНК, гомологичная рекомбинация, поперечная сшивка ДНК, структура Холлидея, BRCA1, BRCA2, репарация двуцепочечного разрыва ДНК.
Двуцепочечные разрывы ДНК — наиболее токсичная форма повреждения ДНК в пролифе-рирующей клетке [1]. Если репарация ДНК не происходит, нормальное функционирование клетки нарушается и инициируется апоптоз. Пролиферирующие клетки, в ДНК которых накопилось слишком много повреждений, уничтожаются, что нарушает тканевой гомеостаз. Кроме того, двуцепочечные разрывы ДНК могут способствовать возникновению мутаций. Нарушение тканевого гомеостаза и накопление мутаций — характерные черты онкологических заболеваний и ускоренного старения [1—3]. Для поддержания целостности генома клетки используют следующие механизмы: гомологичную рекомбинацию; негомологичное соединение концов; эксцизионную репарацию нуклео-тидов; транслезионный синтез ДНК и недавно
Принятые сокращения: АФ — анемия Фанкони, D-петля — петля смещения (от английского displaced loop); BLM — хеликаза синдрома Блума; WRN — хеликаза синдрома Вернера; Ec — Escherichia coli; Sc — Saccharomyces cere-visiae; Dm — Drosophila melanogaster; Hs — Homo sapiens.
* Адресат для корреспонденции.
охарактеризованный каскад анемии Фанкони (АФ) (Fanconi anemia pathway).
Белки репарации ДНК регулируют важные этапы этих механизмов, либо играя роль в передаче сигнала о повреждении, либо непосредственно исправляя поврежденную ДНК за счет присущей им ферментативной активности [4]. Мутации, инактивирующие белки репарации, ведут к развитию раковых заболеваний и нарушениям, вызывающим преждевременное старение, таким как АФ, синдром Блума и синдром Вернера. У носителей таких мутаций наблюдаются нарушения пигментации кожи, снижение образования клеток крови, дегенерация скелетных мышц, остеопороз, нарушения в эндокринной системе и другие симптомы, ассоциируемые с нормальным процессом старения [5, 6]. Все перечисленные симптомы являются следствием неспособности организма полностью восстановиться после генотоксического стресса и повышенной нестабильности генома. Ключом к поддержанию стабильности генома является функционирование белков репарации ДНК, которые осуществляют и регулируют процесс репарации [1, 3, 5]. Определив, как и на какой ста-
дии каждый белок участвует в репарации ДНК, мы сможем лучше понять механизмы развития заболеваний человека и механизмы ускоренного старения.
Наша цель — прояснить, каким образом согласованные действия белков приводят к удалению межцепочечных поперечных сшивок и репарации ДНК по механизму гомологичной рекомбинации.
АНЕМИЯ ФАНКОНИ
Повышенный интерес к АФ обусловлен недавним открытием новых белков, связанных с этим заболеванием, и механизмов, регулирующих их активность. Кроме того, некоторые АФ-гены также связаны с развитием рака молочной железы. Анемия Фанкони наследуется аутосом-но-рецессивно; она характеризуется аномалиями развития, аплазией костного мозга и высокой предрасположенностью к злокачественным новообразованиям. Частота встречаемости данного заболевания 1—5 случаев на 1 млн. населения, ей подвержены все расы и все этнические группы [7]. Средняя продолжительность жизни пациентов с АФ составляет ~20 лет; смерть наступает в результате развития аплазии костного мозга, острой миелоидной лейкемии или рака кожи [7]. Симптомы АФ очень гетерогенны, так как это заболевание ассоциировано с несколькими генами и сказывается на работе почек, сердца, пищеварительной и репродуктивной систем [8]. К настоящему времени выявлено 13 комплементационных групп при анемии Фан-кони (БАКСА, -В, -С, -01, -02, -Е, -Е, -I, -Ь, -М и -К), 12 из которых картированы на соматических хромосомах, а ЕАКСВ картирована на Х-хромосоме [9]. У пациентов с АФ чаще всего встречаются мутации в БАКСА, -С и (частота встречаемости 66, 10 и 9% соответственно) [1, 3]. На клеточном уровне АФ характеризуется гиперчувствительностью к мутагенам, образующим поперечные сшивки ДНК, и высокой частотой хромосомных аберраций, что свидетельствует о нарушении процесса репарации ДНК [8]. Все больше данных свидетельствует о том, что АФ-белки непосредственно участвуют в процессе репарации ДНК либо играют роль передатчиков сигнала о повреждении [10].
КАСКАД АНЕМИИ ФАНКОНИ
Каскад АФ тесно связан с такими механизмами репарации ДНК, как гомологичная рекомбинация, эксцизионная репарация нуклео-
тидов или транслезионный синтез ДНК с участием специализированных ДНК-полимераз в ответ на генотоксический стресс [8]. АФ-Белки взаимодействуют с многочисленными известными белками репарации ДНК, в том числе с белками, обусловливающими предрасположенность к раку молочной железы, BRCA1 и BRCA2, хеликазой Блума и рекомбиназой RAD51, участвующими в гомологичной рекомбинации, и белком MutLa, участвующим в репарации неправильно спаренных оснований. Недавно было показано, что три АФ-белка: FANCD1, FANCN и FANCJ - идентичны белкам, обусловливающим предрасположенность к раку молочной железы (BRCA2, PALB2 и BRIP1 соответственно) [9]. Отсюда становится очевидно, что каскад АФ связан с некоторыми другими механизмами репарации ДНК, необходимыми для поддержания целостности генома.
АФ-Белки делятся на три группы: коровый комплекс АФ, комплекс АФ-ID и белки последующих стадий (таблица, рисунок). Эта классификация базируется на порядке взаимодействия белков в процессе исправления блокированных или поврежденных вилок репликации в S-фазе клеточного цикла [4]. В S-фазе происходит дупликация ДНК, опосредованная множественными вилками репликации. Повреждения ДНК могут остановить вилку репликации и привести к активации контрольных механизмов S-фазы. Ферменты рекомбинации, в частности нуклеа-зы, обладают повышенным сродством к промежуточным продуктам репликации ДНК и могут непосредственно связываться со вновь синтезированными цепями с образованием одноцепо-чечных участков ДНК (оцДНК) [11-13]. С образовавшимися участками оцДНК связывается оцДНК-связывающий белок, известный как репликативный белок А (replication protein A (RPA)), в результате чего может происходить активация контрольных механизмов клеточного цикла [13]. Затем с комплексом RPA-оцДНК связывается чекпойнткиназа ATR, которая фос-форилирует ряд факторов, в том числе некоторые белки корового комплекса АФ и киназу Chk1, которая в свою очередь передает далее сигнал о повреждении посредством активации других белков, контролирующих повреждения ДНК, путем их фосфорилирования. Стабильность ATR регулируется белками ATRIP (белок, связывающийся с ATR) и HCLK2. Белок FAAP24 (один из АФ-белков, однако мутации в кодирующем его гене не вызывают АФ) образует гетеродимер с хеликазой FANCM и взаимодействует с HCLK2 [4]. FANCM является частью корового комплекса АФ и служит платформой и мотором для других компонентов корового
Доменная организация и известные функции 13 АФ белков и недавно открытой нуклеазы БАШ
АФ-Белок
Домены/мотивы/модификации
Активность
Группа 1: АФ-коровый комплекс
FANCA
FANCB FANCC
FANCE
FANCF FANCG
FANCL FANCM
фосфорилируется в ответ на повреждение ДНК
сигнал ядерной локализации
фосфорилируется в ответ на повреждение ДНК
семь консервативных ТРЯ-повторов; фос-форилируется в ответ на повреждение ДНК
три WD40-повтора, РНО-палец
семь консервативных хеликазных мотивов (I, 1а, II, III, IV, V, VI), эндонуклеазоподоб-ный домен; фосфорилируется в ответ на повреждение ДНК
необходим для надрезающей активности ЕЯСС1-ХРР при разрушении поперечной сшивки
принимает участие в рекомбинации теломер; ассоциирован с синдромом Блума; необходим для надрезающей активности ЕЯСС1-ХРР
связывает РАЫСЬ ЕЗ-лигазу с РАКС02 (компонент АФ-Ш-комплекса)
поддерживающий белок для надрезающей активности ЕЯСО-ХРР и для белков гомологичной рекомбинации РАКСБ1/ВКСА2, РАКСБ2 и ХЯССЗ
потенциальная ЕЗ-лигаза в АФ-ГО-комплексе
связывается с НСЬК2 и РААР24 в целях узнавания остановившихся вилок репликации; посадочная платформа для АФ-корового комплекса; расплетает и перемещает ДНК за счет хеликазной активности
Группа 2: АФ-ГО-комплекс и FAN1
FANCI
FANCD2
FAN1
АЯМ-повтор, консервативный остаток лизина моноубиквитинилирован; фосфори-лируется в ответ на повреждение ДНК; С-концевой ДНК-связывающий домен
АЯМ-повтор, консервативный остаток лизина моноубиквитинилирован; фосфори-лируется в ответ на повреждение ДНК
укладка, характерная для нуклеаз, на С-конце; SAP ДНК-связывающий домен; TPR-мотив; цинк-фингерный убиквити-новый домен на #-конце
реципрокная активация с РАКС02 и связывание с хроматином; связывается с высоким сродством со структурой Холлидея и вилкой репликации; связан с РАШ
реципрокная активация с РАЫО и связывание с хроматином; связывается с вы
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.