УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2004, том 124, № 3, с. 216-222
УДК 575:595.763.79
ХЯ82 - ОДИН ИЗ КЛЮЧЕВЫХ ГЕНОВ, КОНТРОЛИРУЮЩИХ МЕТАБОЛИЗМ ДНК
© 2004 г. В. Г. Королев
Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН, Гатчина
Хге2-комплекс состоит из продуктов трех генов ХЯ82, ЯЛ058 и ЯЛ050. Мутации в любом из этих генов приводят к плейотропному эффекту. Мутантные клетки приобретают чувствительность к ДНК-повреждающим агентам, геномную нестабильность, нарушения регуляции клеточного цикла, мейотической и митотической рекомбинации, укороченные теломеры. Молекулярный дефект, который приводит к появлению этого фенотипа, в основном связан с нарушением процессинга концов двунитевых разрывов ДНК. Однако многие аспекты функционирования данного комплекса еще остаются неясными.
Геномные ДНК представляют собой необычайно крупные биомолекулы, которые должны сохраняться в течение всего срока существования клетки. Вместе с тем эти молекулы не обладают высокой химической стабильностью, и в них постоянно возникают повреждения различного рода, вызванные как процессами нормального метаболизма клетки, так и воздействиями внешней среды. Большое разнообразие повреждений и лабильность первичной структуры ДНК рождает проблему поддержания стабильности генома клетки. Для решения этой острой проблемы живые организмы в ходе эволюции приобрели разветвленную сеть репарационных процессов, устраняющих повреждения ДНК. Они включают: коррекцию репликативных ошибок, удаление поврежденных звеньев или участков ДНК, слияние разрывов нитей ДНК, регуляцию межвидовой рекомбинации, мейотическую и митотическую рекомбинацию. Перечисленные выше процессы требуют большого числа ферментов, обеспечивающих поддержание стабильности генетического материала, поэтому не удивительно, что природа пошла по пути создания многофункциональных белков и белковых комплексов, способных участвовать в различных компонентах метаболизма ДНК. К таким многофункциональным комплексам можно отнести Хгв2-комплекс (другие названия: МЯЕ11- или МЯЕ11/КЛ050/ХЯ82-ком-плекс), о котором пойдет речь в данном обзоре.
Более 30 лет назад были выделены первые ра-диационно чувствительные мутанты эукариоти-ческого микроорганизма - дрожжей ЗассИагошу-сев сегеу1в1ае [6, 60, 72]. В последующие годы дрожжи прочно заняли ключевое место в изучении репарационных процессов и остаются на этой позиции до настоящего времени. В период с 1967 по 1970 годы около десяти лабораторий опубликовали результаты по выделению и изучению ра-
диочувствительных мутантов дрожжей. Лаборатория генетики эукариот ПИЯФ РАН (ранее называлась Лаборатория радиационной генетики) оказалась среди пионеров в этих исследованиях. В конце шестидесятых годов в нашей лаборатории был выделен целый ряд мутантов дрожжей, чувствительных к ультрафиолетовым и гамма-лучам. В этой коллекции мутантов были представлены все гены, контролирующие компоненты Xrs2 белкового комплекса, состоящего из продуктов трех генов - RAD50, RAD58 (XRS4/MRE11) и XRS2 (RAD60). Генетические свойства мутантов по двум последним генам долгое время изучались исключительно в нашей лаборатории, и только в конце восьмидесятых годов к работе с этими мутантами подключились зарубежные исследователи.
СВОЙСТВА МУТАНТОВ ПО ГЕНАМ, КОДИРУЮЩИМ БЕЛКИ Хге2-КОМПЛЕКСА
Мутант xrs2-6 был выделен вместе с рядом других мутантов по чувствительности к УФ-лу-чам [16]. Однако вскоре выяснилось, что чувствительность этого мутанта к УФ-лучам относительно невелика, в то время как облучение рентгеновскими и гамма-лучами приводило к высокой смертности клеток [5, 13-15, 19, 39]. Мутант xrs2 показал высокую чувствительность также к другим физическим и химическим факторам, таким как распад инкорпорированных радиоактивных изотопов [2-4, 12], акридин ипритам [18] и 8-ме-токсипсораленам [17]. Все эти мутагены способны эффективно повреждать одновременно обе нити ДНК. Анализ свойств двойных мутантов [5, 15] позволил отнести ген XRS2 в эпистатическую группу RAD52. Известно, что гены, входящие в эту группу, контролируют рекомбинационную репарацию двунитевых разрывов (ДНР) ДНК [63]. Дальнейший анализ диплоидных мутантов xrs2 выявил, что, в отличие от мутаций в гене
RAD52, мутации xrs2 не блокируют митотичес-кую рекомбинацию [9, 39]. Однако роль этого гена в мейотической рекомбинации значительна [39]. Мутации в данном гене также влияют на стабильность теломер, регуляцию клеточного цикла и эффективность репликативного процесса. Как и следует ожидать, генетические свойства мутантов по генам RAD50 и RAD58 не отличаются от таковых для мутанта xrs2 [5, 9, 13, 24, 25, 37- 39, 55, 69]. В следующих разделах обзора мы рассмотрим более подробно роль Хгв2-комплекса в различных клеточных функциях.
БЕЛКИ, КОДИРУЕМЫЕ ГЕНАМИ RAD58, RAD50 И XRS2
Гены XRS2, RAD58 и RAD50 были картированы и клонированы [10, 26, 39, 43, 47, 48]. Биохимическое изучение продуктов этих генов показало, что белок Rad58 образует гомодимер, который в свою очередь образует гетеромультимер с белками Rad50 и Xrs2 [24, 42, 80]. Кором этого комплекса является Rad50p-Rad58p субкомплекс, так как эти два белка эволюционно консервативны и имеют гомологов в геномах многих эукариотиче-ских организмов, включая человека. Тройной комплекс проявляет эндонуклеазную и (3' —► 5')-экзонуклеазную активности в отношении одно-нитевой (ОН) ДНК, а также (3' —► 5')-экзонукле-азную активность на двунитевой (ДН) ДНК. При этом Rad58p играет основную роль в функционировании комплекса. Он имеет молекулярную массу ~80 кПд и может независимо взаимодействовать как с Xrs2p, так и с Rad50p [26, 43, 76]. Именно этому белку принадлежат ДнК-нуклеаз-ные и ДНК-раскручивающая активности рассматриваемого комплекса. С-терминальные 134 аминокислоты Rad58p играют специфическую роль в мейозе и не важны для выполнения митотических функций. В то же время точковые мутации в фос-фодиэстеразном мотиве белка приводят к дефекту в нуклеазной активности и, как следствие, к нарушению митотических функций Rad58p [27, 77].
Rad50p имеет значительно большую молекулярную массу (~150 кДа) по сравнению с Rad58p и проявляет АТФ-зависимое связывание с ДН ДНК [67]. При этом АТФ-связывающие мотивы являются критичными для функции белка. Связывание с АТФ кроме того приводит к конформацион-ным изменениям в Rad50p, которые в свою очередь стимулируют нуклеазную активность Rad58p. Белок Rad50 относится к семейству SMC белков, которые вовлечены в конденсацию хромосом и обеспечивают слипание сестринских хроматид в процессе репликации. Все эти белки, включая Rad50p, образуют антипараллельные гомодиме-ры с центральной шарнирной областью и двумя линейными плечами, на концах которых расположены АТФ-связывающие домены. Основной
функцией Яаё50р, по-видимому, является связывание с помощью линейных плеч концов ДНК и их удерживание для облегчения репарационных процесссов.
Хгв2р - наиболее загадочный компонент комплекса. Это связано с тем, что в отличие от двух других белков, которые эволюционно консервативны у всех эукариотических организмов, дрожжевой Хгв2р не имеет гомологов. Функциональную роль дрожжевого Хгв2р у человека выполняет КЪз1р. Эти два белка не похожи друг на друга по первичной последовательности, но, как и другие функциональные их гомологи, имеют РЫЛ домен на их аминотерминальном конце. РЫЛ образует компактную глобулярную структуру и служит для связывания других белков после фос-форилирования одного из них [33]. Этот домен не играет роли в репарационной функции Хгв2 белка, так как его делеция не приводит к радиочувствительности клетки [76]. В то же время для репарационной функции Хгв2р важна его связь с диме-ром Яаё58р, обеспечиваемая последними 100 аминокислотами на С-конце Хгв2р.
РОЛЬ Х^2-КОМПЛЕКСА В МЕЙОЗЕ
Штаммы дрожжей, гомозиготные по нуль мутации в любом гене Хгв2-комплекса, не способны осуществлять мейотическую программу, так как индукция мейоза приводит к гибели клетки [20, 38, 39, 57]. Этот дефект, однако, можно обойти введением в гомозиготное состояние мутации зро13, которая блокирует первое мейотическое деление и, таким образом, позволяет клетке обойти проблемы, связанные с отсутствием мейотической рекомбинации [56]. В результате образуются диплоидные клетки, у которых отсутствуют рекомбинантные события [22, 61]. Причиной, по которой мутанты с разрушенными генами ХЯБ2, ЯАЭ50, ЯА058 становятся дефектными в мейотической рекомбинации, является неспособность этих мутантов образовывать и процессиро-вать мейотические ДНР ДНК [25, 39, 43]. В течение мейоза в Б. сегеу181ае ДНР ДНК возникают в определенных "горячих точках" и затем происходит экзонуклеолитическая деградация нитей в 5' —► 3' направлении от разрыва. В результате образуются длинные 3'-ОН-"хвосты", которые являются прекрасными субстратами для реком-бинационной "машины". Интересно, что существуют аллели генов ЯА050 и ЯАЭ58, которые не препятствуют образованию мейотических ДНР ДНК, но блокируют их дальнейший процессинг [21]. Следовательно, наличие Хгв2-комплекса необходимо для образования ДНР ДНК, но он, по-видимому, играет лишь структурную, но не ферментативную роль в образовании этих разрывов. Однако в процессинге концов разрывов экзонук-леолитические и геликазные активности ком-
плекса принимают непосредственное участие. Именно процессинг мейотических ДНР, который формирует эффективные рекомбинационные ин-термедиаты, является главным событием, контролируемым Хгв2-комплексом в мейозе. Участия в последующих стадиях репарации ДНР этот комплекс не принимает [53].
Хге2-КОМПЛЕКС
В МИТОТИЧЕСКОЙ РЕКОМБИНАЦИИ
На основании данных генетического анализа гены ХЯБ2, ЯЛЭ50 и ЯЛ058 были отнесены в эпи-статическую группу ЯЛЭ52. Гены, входящие в эту группу, контролируют рекомбинационную репарацию поврежденной ДНК. Субстратом для этой репарации являются ДНР ДНК и, возможно, од-нонитевые бреши напротив некодирующих повреждений ДНК [7, 30, 32, 35, 36, 49, 58, 68]. Вызванные псораленом сшивки нитей ДНК также репарируются с помощью рекомбинации [70]. Поврежденная ДНК может вступать в рекомбинацию как с гомологичной хромосомой, так и с сестринск
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.