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7.6:

Riparazione delle rotture a doppio filamento

JoVE Core
Biologia Molecolare
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Fixing Double-strand Breaks

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Quando entrambi i filamenti di DNA sono danneggiati, non rimane alcun modello intatto per una riparazione accurata. Se questo scenario non viene corretto, può portare alla morte cellulare. Ci sono due meccanismi per riparare le rotture a doppio filamento:il primo tipo, non omologo e di unione, permette l’unione delle estremità anche se non vi è alcuna sequenza di somiglianza tra di esse e avviene prima della duplicazione del DNA quando il DNA necessita di una riparazione rapida.Nelle cellule di mammifero, ciò viene effettuato dalla proteina eterodimerica legante il DNA, Ku, che forma un complesso con le subunità catalitiche della protein-chinasi dipendente dal DNA. Questo complesso contiene le estremità del cromosoma rotto, mentre una DNA polimerasi inserisce i nucleotidi per collegare la divergenza tra queste estremità. In seguito, la DNA ligasi IV forma un complesso con il suo cofattore, XRCC, e un’altra proteina chiamata XLF e ricongiunge e sigilla queste estremità.Correzioni rapide come queste possono portare a mutazioni nel sito di riparazione o riarrangiamenti genomici che includono delezioni, traslocazioni di materiale genetico, e fusioni, che possono provocare cromosomi 00 19.240:01 00:01:23.920 con due centromeri, o senza alcun centromero. Le mutazioni sono diffuse e le cellule somatiche umane possono tollerarne fino a 2, 000. Riarrangiamenti genomici, d’altra parte, sono rari ma si trovano in cellule neoplastiche.La maggior parte delle interruzioni del doppio filamento del DNA portano a irregolarità sul singolo filamento. Il secondo tipo di riparazione, la ricombinazione omologa, corregge queste interruzioni. E’una forma di ricombinazione molto più accurata, rispetto alla riparazione non omologa e richiede DNA da un cromatide fratello come stampo;si verifica quindi, tipicamente dopo la duplicazione del gene durante la divisione cellulare.

7.6:

Riparazione delle rotture a doppio filamento

The double-stranded structure of DNA has two major advantages. First, it serves as a safe repository of genetic information where one strand serves as the back-up in case the other strand is damaged. Second, the double-helical structure can be wrapped around proteins called histones to form nucleosomes, which can then be tightly wound to form chromosomes. This way, DNA chains up to 2 inches long can be contained within microscopic structures in a cell. A double-stranded break not only damages both copies of genetic information but also disrupts the continuity of DNA, making the chromosome fragile.

In a cell, there are an estimated ten double-strand breaks (DSBs) per day. The primary source of damage is metabolic by-products such as Reactive Oxygen Species and environmental factors such as ionizing radiations. Although less common, malfunctioning nuclear enzymes can also cause DSBs. Failure of enzymes like type II topoisomerases, which cut both strands of DNA and rejoin them while disentangling chromosomes, can inadvertently result in DSBs. Mechanical stress on the DNA duplex can also lead to DSBs. In prokaryotes, prolonged desiccation strains DNA, causing DSBs.

Of the two mechanisms for DNA repair, homologous recombination depends on a sister chromatid being nearby, which happens during the S and G2 phases. Due to this restriction, in the absence of a homology donor, cells have to resort to Nonhomologous end joining (NHEJ), even though it is much less accurate. It has been hypothesized that the reason higher eukaryotes can afford to preferentially utilize NHEJ for DSB repairs is that they have abundant non-coding DNA, which permits nucleotide substitutions, deletions or additions without grievous consequences.

Suggested Reading

  1. Featherstone, Carol, and Stephen P. Jackson. "DNA double-strand break repair." Current Biology 9, no. 20 (1999): R759-R761.