Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

Enzymkompleks forhindrer beskadigelse af genomet ved replikationsbarrierer

Korrekt DNA-replikation er en forudsætning for opretholdelse af et stabilt genom. Ved brug af et cellulært system (Fob-block) har forskere identificeret en ny og ukendt rolle for et konserveret enzymkompleks (MRX) for opretholdelse af genomisk stabilitet ved en protein-DNA barriere, som blokerer for replikationen.

04.02.2013 | Lisbeth Heilesen

Forskerne har identificeret en ny og ukendt rolle for et konserveret enzymkompleks for opretholdelse af genomisk stabilitet ved en protein-DNA barriere, som blokerer for replikationen, fra venstre Iben B. Bentsen og Lotte Bjergbæk (foto: Lisbeth Heilesen).

(A) Mulige funktioner af MRX komplekset ved en protein-DNA barrierer. MRX komplekset forhindrer dannelse af såkaldte “chickenfoot” strukturer (venstre) eller komplekset beskytter strukturerne, når de er dannet (højre). (B) Model for de cellulære konsekvenser ved et højere niveau af replikationsblokeringer i rDNA (venstre), eller når RFB sekvenser er placeret andetsteds i genomet (højre) i celler, som mangler Mre11. Unormale DNA strukturer, som dannes i rDNA’et i fravær af Mre11 er ikke i stand til at aktivere cellens overvågningsmekanisme (checkpoint), hvorimod unormale DNA strukturer, som dannes i fravær af Mre11 ved barrierer placeret andetsteds i genomet giver ophav til et stærkt checkpoint respons. Åbne bobler repræsenterer aktive replikationsinitieringssteder (origins), sorte cirkler er inaktive origins og pile indikerer RFB sekvenser, som har bundet Fob1 (figur: Iben Bentsen) Klik foto og figur for større udgave.

DNA bærer al genetisk information for liv, og det er derfor nødvendigt, at der sker en præcis kopiering af DNA’et forud for hver celledeling. Dette er ikke en simpel opgave, idet replikationskomplekset konstant møder udfordringer i form af fysiske blokeringer, som derved kan true nøjagtigheden af processen.

Det er altafgørende, at cellen er i stand til at overkomme replikationsblokeringer på en kontrolleret måde, således at genomisk stabilitet bevares. For at opnå en molekylær forståelse af dette, er det nødvendigt at undersøge, hvorledes cellen responderer på DNA-strukturer eller DNA-proteinkomplekser, som blokerer for DNA-replikationsprocessen. Dette har traditionelt været undersøgt ved hjælp af stoffer, som blokerer DNA-replikationen overalt i cellen, hvilket ikke nødvendigvis resulterer i et fysiologisk relevant respons, idet DNA-replikations-blokeringerne langt vil overstige det niveau, som cellen under en normal DNA-replikation vil løbe ind i.

For at undersøge det cellulære respons til DNA-replikationsblokeringer på et fysiologisk niveau har forskerne taget udgangspunkt i det ribosomale DNA (rDNA), hvor der naturligt findes DNA-elementer (RFBs: Replication Fork Barrier), som forhindrer DNA-replikationen, når et protein (Fob1) binder til disse elementer. Forskningsgruppen har lavet et cellulært system (Fob-block) i S.cerevisiae (bagegær), hvor de kan kontrollere ekspressionen af FOB1 via en inducerbar promoter. Dette giver mulighed for at etablere aktive protein-DNA-barrierer både i rDNA’et og uden for rDNA’et, hvor forskerne også har placeret RFB elementerne.

Ved anvendelse at Fob-block systemet har forskerne identificeret en ny og essentiel rolle for et konserveret kompleks, MRX (bestående af tre proteiner Mre11, Rad50 og Xrs2), når et replikationskompleks standses ved en protein-DNA barriere. MRX komplekset er normalt involveret i reparation af DNA-dobbeltstrengsbrud og spiller også en rolle i forbindelse med det cellulære checkpoint (overvågningsmekanisme, som bl.a. er i stand til at opdage abnormale DNA-strukturer). I disse processer er det MRX´s enzymatiske aktivitet, som er nødvendig.

I modsætning til de overnævnte funktioner fandt forskningsgruppen, at MRX´s rolle ved en protein-DNA-barriere er af strukturel karakter, dvs. uafhængig af den enzymatiske aktivitet af komplekset.  Mangler cellen et strukturelt kompetent MRX kompleks, leder det til dannelse af unormale DNA-strukturer ved replikationsbarrieren. MRX komplekset har således en beskyttende funktion i forbindelse med replikationsforhindringer, som spiller en afgørende rolle for bevarelse af genomisk stabilitet.

Arvelige mutationer i de gener, som koder for det humane kompleks (MRN; Mre11, Rad50 og Nbs1), er associeret med sjældne syndromer, der fører til genomisk ustabilitet, såsom ataxia-telangiectasia-like disease (ATLD), NBS og NBS-like disorder (NBSLD).  Syndromerne er pleiotropiske, dvs. giver ophav til flere fænotypiske træk, såsom problemer med immunforsvaret, neurologiske problemer og højere risiko for udvikling af kræft. For NBS patienter leder dette bl.a. til en utrolig høj kræfthyppighed (40% udvikler kræft inden deres fyldte 30 år). Dette tydeliggør vigtigheden af MRN komplekset for bevarelse af genomisk stabilitet og bør dermed være den afgørende drivkraft for at opnå en forståelse af den molekylære funktion af komplekset.

Det næste skridt i forskernes undersøgelser af faktorer, som er af afgørende betydning for genomisk stabilitet ved replikationsbarrierer er allerede blevet udført, nemlig et globalt screen. Dette screen har identificeret adskillige faktorer, som er essentielle, når de inducerer en replikationsbarriere. Målet er nu at klarlægge deres molekylære mekanisme ved barrieren og forstå samspillet mellem de forskellige faktorer ved barrieren.  


Link til artiklen in Nucleic Acids Research:

MRX protects fork integrity at protein-DNA barriers and its absence causes checkpoint activation dependent on chromatin context

Mere information

Lektor Lotte Bjergbæk
Institut for Molekylærbiologi og Genetik
Aarhus Universitet
lbj@mb.au.dk – 2326 2695

4.2.2013

Forskning, Offentligheden / Pressen, Institut for Molekylærbiologi og Genetik