scholarly journals Increased single-strand annealing rather than non-homologous end-joining predicts hereditary ovarian carcinoma

Oncotarget ◽  
2017 ◽  
Vol 8 (58) ◽  
pp. 98660-98676 ◽  
Author(s):  
Miriam Deniz ◽  
Tatiana Romashova ◽  
Sarah Kostezka ◽  
Anke Faul ◽  
Theresa Gundelach ◽  
...  
2019 ◽  
Author(s):  
Ανδρέας Παναγόπουλος

Η γονιδιωματική σταθερότητα διατηρείται μέσω του συντονισμού μεταξύ των μηχανισμών του φυσιολογικού κυτταρικού κύκλου και των μηχανισμών απόκρισης σε βλάβη στο γενετικό υλικό. Οι παράγοντες που διαδραματίζουν κομβικό ρόλο στη διασύνδεση των συγκεκριμένων μηχανισμών καθίστανται ιδιαίτερα σημαντικοί. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αποτελούν τα Cdt1 και Cdc6 που συμβάλλουν στην αδειοδότηση της αντιγραφής του γενετικού υλικού. Μάλιστα, οι εν λόγω παράγοντες διαδραματίζουν κομβικό ρόλο στον καρκίνο όπου η υπερέκφρασή τους οδηγεί σε γονιδιωματική αστάθεια και επικράτηση κυττάρων με ογκογονικές ιδιότητες. Επιπρόσθετα, η σημαντικότητα τους υποδεικνύεται και από το γεγονός πως ένα ευρύ φάσμα μηχανισμών είναι υπεύθυνο για τη ρύθμισή τους τόσο κατά το φυσιολογικό κυτταρικό κύκλο όσο και μετά από βλάβη στο γενετικό υλικό.Η περιοδική πρωτεόλυση πρωτεϊνών είναι ιδιαίτερα σημαντική για τη διατήρηση της κυτταρικής φυσιολογίας. Η διαδικασία της πρωτεόλυσης πραγματοποιείται μέσω της πρόσδεσης αλυσίδων ουβικουϊτίνης στις πρωτεΐνες-υποστρώματα, οι οποίες στη συνέχεια καθίστανται στόχοι αποικοδόμησης από το πρωτεάσωμα. Η λιγάση της ουβικουϊτίνης CRL4Cdt2 αποτελεί ένα σύμπλοκο υπεύθυνο για την ουβικουϊτινιλίωση μεγάλου αριθμού μορίων που συμβάλλουν στην πρόοδο του κυτταρικού κύκλου. Η ρύθμιση μέσω αυτού του συμπλόκου πραγματοποιείται μέσω της πρόσδεσης του υποστρώματος στο PCNA που βρίσκεται στο DNA. Το CRL4Cdt2 είναι ενεργό κατά τη διάρκεια της S φάσης και μετά από βλάβη στο γενετικό υλικό. Παρά το γεγονός πως η εν λόγω λιγάση της ουβικουϊτίνης αποτελεί έναν κεντρικό ρυθμιστή της γονιδιωματικής σταθερότητας εντούτοις ο μοριακός μηχανισμός αναγνώρισης υποστρώματος δεν είχε διαλευκανθεί πλήρως. Το μέχρι πρόσφατα επικρατές μοντέλο όριζε πως το CRL4Cdt2 στρατολογείται στη χρωματίνη αφού πρώτα έχει σχηματιστεί το σύμπλοκο PCNA-υπόστρωμα. Ερευνητικά δεδομένα από διάφορες ομάδες υποδείκνυαν ένα διαφορετικό μηχανισμό σε σχέση με το συγκεκριμένο μοντέλο. Στην παρούσα διατριβή, με τη χρήση μεταλλαγμάτων του υποδοχέα υποστρώματος της λιγάσης, Cdt2 και ακτινοβολίας UV-C καταφέραμε να διαπιστώσουμε πως η συσσώρευση στην περιοχή της βλάβης πραγματοποιείται μέσω του καρβοξυ-τελικού τμήματος της πρωτεΐνης και συγκεκριμένα μέσω μοτίβου PIP-box που εδράζεται στο καρβόξυ-τελικό άκρο. Τα συγκεκριμένα δεδομένα οδήγησαν στην περιγραφή ενός νέου μοντέλου για το μηχανισμό αναγνώρισης υποστρώματος όπου η λιγάση και το υπόστρωμα συσσωρεύονται ανεξάρτητα στο PCNA. Στη συνέχεια ακολουθεί η αναγνώριση και η ουβικουϊτινιλίωση του υποστρώματος το οποίο στοχεύεται για πρωτεόλυση.Οι διπλές θραύσεις στο γενετικό υλικό είναι μία από τις πιο επιζήμιες βλάβες και μπορούν να προκληθούν από ενδογενείς διεργασίες ή εξωγενείς παράγοντες. Αν δεν επιδιορθωθούν ή επιδιορθωθούν με λανθασμένο τρόπο μπορεί να προκαλέσουν γονιδιωματική αστάθεια. Οι κύριοι επιδιορθωτικοί μηχανισμοί που έχουν αναπτυχθεί προκειμένου να αντιμετωπιστούν οι εν λόγω βλάβες είναι η Μη-Ομόλογη Σύνδεση των Άκρων (Non-Homologous End Joining, NHEJ) που λειτουργεί καθ' όλη τη διάρκεια του κυτταρικού κύκλου και είναι επιρρεπής σε λάθη και ο Ομόλογος Ανασυνδυασμός (Homologous Recombination, HR) που λειτουργεί μόνο κατά τις S και G2 φάσεις του κυτταρικού κύκλου και επιδιορθώνει τις διπλές θραύσεις με υψηλή πιστότητα. Όταν οι συγκεκριμένοι μηχανισμοί παρουσιάζουν αδυναμία επιδιόρθωσης των βλαβών στο γενετικό υλικό τότε η επιδιόρθωση επαφίεται στους εναλλακτικούς επιδιορθωτικούς μηχανισμούς που περιλαμβάνουν την Εναλλακτική Σύνδεση των Άκρων (Alternative Non-Homologous End Joining, A-NHEJ) με κύριο υπομονοπάτι τη Σύνδεση των Άκρων ρυθμιζόμενη από Μικρο-ομολογία (Microhomology Mediated End Joining, MMEJ), τη Σύνδεση Μονού Κλώνου (Single Strand Annealing, SSA) και την Επιδιόρθωση Αντιγραφής Επαγόμενης από Θραύση (Break Induced Replication, BIR). Τα συγκεκριμένα επιδιορθωτικά μονοπάτια αν και βελτιώνουν τις πιθανότητες ενός κυττάρου για επιβίωση μετά από βλάβη εντούτοις παρουσιάζονται ιδιαίτερα επιρρεπή σε λάθη. Προηγούμενα ερευνητικά δεδομένα του εργαστηρίου υπέδειξαν την ταχύτατη συσσώρευση του Cdt1 στην περιοχή της εντοπισμένης βλάβης από UV-A παλμικό laser. Στην παρούσα διατριβή πραγματοποιήθηκε εκτεταμένη μελέτη της πιθανής εμπλοκής του Cdt1 στην επιδιόρθωση των διπλών θραύσεων. Τα ερευνητικά δεδομένα από πειράματα με κυτταρικά συστήματα αναφοράς φθορισμού υποδεικνύουν πως ο συγκεκριμένος παράγοντας συμμετέχει στα βασικά μονοπάτια επιδιόρθωσης NHEJ, HR καθώς και στα εναλλακτικά μονοπάτια SSA και BIR. Πειράματα που πραγματοποιήθηκαν με ετοποσίδιο, neocarzinostatin και ακτίνες Χ προκειμένου να διαλευκανθεί το ακριβές σημείο εμπλοκής του Cdt1 στα μονοπάτια επιδιόρθωσης των διπλών θραύσεων δεν οδήγησαν σε κάποιο ξεκάθαρο συμπέρασμα.Στην παρούσα διατριβή διαπιστώθηκε για πρώτη φορά πως ο αδειοδοτικός παράγοντας Cdc6 διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην επιδιόρθωση των διπλών θραύσεων στο γενετικό υλικό. Συγκεκριμένα με τη χρήση UV-A παλμικού laser διαπιστώθηκε πως το Cdc6 συσσωρεύεται ταχύτατα στην περιοχή της εντοπισμένης βλάβης. Πειράματα με ετοποσίδιο και neocarzinostatin καθώς και με κυτταρικά συστήματα αναφοράς φθορισμού υπέδειξαν πως το Cdc6 εμπλέκεται στο μονοπάτι NHEJ και συγκεκριμένα στα αρχικά στάδια κατά τη συσσώρευση των παραγόντων 53BP1 και RIF1 στα σημεία της βλάβης. Στον αντίποδα η συσσώρευση στα σημεία βλάβης των παραγόντων του μονοπατιού HR, pRPA και Rad51 δεν επηρεάζεται από το Cdc6. Τα συγκεκριμένα πειράματα υπέδειξαν επίσης πως το Cdc6 εμπλέκεται στην ενεργοποίηση της κινάσης ATM χωρίς ωστόσο να επηρεάζει τη φωσφορυλίωση της ιστόνης H2AX. Τέλος, στην παρούσα διατριβή διαπιστώθηκε πως η απουσία του Cdc6 οδηγεί σε ευαισθητοποίηση των καρκινικών κυττάρων σε επώαση με γενοτοξικούς παράγοντες, γεγονός που υποδεικνύει πως η εμπλοκή του Cdc6 στα μονοπάτια απόκρισης στη βλάβη είναι σημαντική για την επιβίωση των κυττάρων. Παράλληλα, υποδεικνύει πως η αποσιώπηση του Cdc6 μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε θεραπευτικές προσεγγίσεις για την καταπολέμηση του καρκίνου.


2021 ◽  
Vol 22 (4) ◽  
pp. 2167
Author(s):  
Janusz Blasiak

DNA double-strand breaks (DSBs) are among the most serious forms of DNA damage. In humans, DSBs are repaired mainly by non-homologous end joining (NHEJ) and homologous recombination repair (HRR). Single-strand annealing (SSA), another DSB repair system, uses homologous repeats flanking a DSB to join DNA ends and is error-prone, as it removes DNA fragments between repeats along with one repeat. Many DNA deletions observed in cancer cells display homology at breakpoint junctions, suggesting the involvement of SSA. When multiple DSBs occur in different chromosomes, SSA may result in chromosomal translocations, essential in the pathogenesis of many cancers. Inhibition of RAD52 (RAD52 Homolog, DNA Repair Protein), the master regulator of SSA, results in decreased proliferation of BRCA1/2 (BRCA1/2 DNA Repair Associated)-deficient cells, occurring in many hereditary breast and ovarian cancer cases. Therefore, RAD52 may be targeted in synthetic lethality in cancer. SSA may modulate the response to platinum-based anticancer drugs and radiation. SSA may increase the efficacy of the CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)/Cas9 (CRISPR associated 9) genome editing and reduce its off-target effect. Several basic problems associated with SSA, including its evolutionary role, interplay with HRR and NHEJ and should be addressed to better understand its role in cancer pathogenesis and therapy.


2019 ◽  
Vol 51 (9) ◽  
pp. 879-889 ◽  
Author(s):  
Jinbao Li ◽  
Huize Sun ◽  
Yulin Huang ◽  
Yali Wang ◽  
Yuyan Liu ◽  
...  

AbstractDouble strand breaks (DSBs) are the most detrimental type of DNA damage that must be repaired to ensure genome integrity and cell survival. Unrepaired or improperly repaired DSBs can potentially cause tumorigenesis or cell death. DSBs are primarily repaired by non-homologous end joining or homologous recombination (HR). The HR pathway is initiated by processing of the 5′-end of DSBs to generate 3′-end single-strand DNA (ssDNA). Furthermore, the intermediate is channeled to one of the HR sub-pathways, including: (i) double Holliday junction (dHJ) pathway, (ii) synthesis-dependent strand annealing (SDSA), (iii) break-induced replication (BIR), and (iv) single-strand annealing (SSA). In the dHJ sub-pathway, the 3′-ssDNA coated with Rad51 recombinase performs homology search and strand invasion, forming a displacement loop (D-loop). Capture of the second end by the D-loop generates a dHJ intermediate that is subsequently dissolved by DNA helicase or resolved by nucleases, producing non-crossover or crossover products. In SDSA, the newly synthesized strand is displaced from the D-loop and anneals to the end on the other side of the DSBs, producing non-crossovers. In contrast, BIR repairs one-end DSBs by copying the sequence up to the end of the template chromosome, resulting in translocation or loss of heterozygosity. SSA takes place when resection reveals flanking homologous repeats that can anneal, leading to deletion of the intervening sequences. A variety of reporter assays have been developed to monitor distinct HR sub-pathways in both Saccharomyces cerevisiae and mammals. Here, we summarize the principles and representative assays for different HR sub-pathways with an emphasis on the studies in the budding yeast.


2019 ◽  
Author(s):  
Ayeong So ◽  
Ali Muhammad ◽  
Catherine Chailleux ◽  
Laura Sesma Sanz ◽  
Sandrine Ragu ◽  
...  

AbstractThe selection of the DNA double-strand breaks (DSBs) repair pathway is decisive for genetic stability/instability. We proposed that it acts according to two successive steps: 1-canonical non-homologous end-joining (C-NHEJ) versus single-strand DNA (ssDNA) resection; 2- on ssDNA, gene conversion (GC) versus non-conservative single-strand annealing (SSA) or alternative end-joining (A-EJ).Using intramolecular substrates, we systematically analysed the equilibrium between the different DSB repair pathways. We show that ablation of RAD51 stimulated both SSA and A-EJ but did not stimulate C-NHEJ, validating the two-step model. Moreover, we found that two ATP-mutant dominant-negative forms of RAD51 that stimulated non-conservative repair, failed to load into damaged chromatin, clarifying the role of ATP in RAD51-mediated HR, also. In contrast, another dominant-negative form of RAD51, which retains its DNA binding capacities, repressed SSA and A-EJ, revealing two separable functions of RAD51 i.e. GC and non-conservative repair inhibition. In vitro assays show that the binding of RAD51 on both complementary ssDNA is required to block both spontaneous and RAD52-induced strand annealing. Therefore, RAD51 represses non-conservative repair (SSA and A-EJ), by inhibiting the annealing step through ssDNA occupancy, independently of the catalytic strand-exchange activity required for GC.


2015 ◽  
Vol 197 (19) ◽  
pp. 3121-3132 ◽  
Author(s):  
Richa Gupta ◽  
Stewart Shuman ◽  
Michael S. Glickman

ABSTRACTMycobacteria encode three DNA double-strand break repair pathways: (i) RecA-dependent homologous recombination (HR), (ii) Ku-dependent nonhomologous end joining (NHEJ), and (iii) RecBCD-dependent single-strand annealing (SSA). Mycobacterial HR has two presynaptic pathway options that rely on the helicase-nuclease AdnAB and the strand annealing protein RecO, respectively. Ablation ofadnABorrecOindividually causes partial impairment of HR, but loss ofadnABandrecOin combination abolishes HR. RecO, which can accelerate annealing of single-stranded DNAin vitro, also participates in the SSA pathway. The functions of RecF and RecR, which, in other model bacteria, function in concert with RecO as mediators of RecA loading, have not been examined in mycobacteria. Here, we present a genetic analysis ofrecFandrecRin mycobacterial recombination. We find that RecF, like RecO, participates in the AdnAB-independent arm of the HR pathway and in SSA. In contrast, RecR is required for all HR in mycobacteria and for SSA. The essentiality of RecR as an agent of HR is yet another distinctive feature of mycobacterial DNA repair.IMPORTANCEThis study clarifies the molecular requirements for homologous recombination in mycobacteria. Specifically, we demonstrate that RecF and RecR play important roles in both the RecA-dependent homologous recombination and RecA-independent single-strand annealing pathways. Coupled with our previous findings (R. Gupta, M. Ryzhikov, O. Koroleva, M. Unciuleac, S. Shuman, S. Korolev, and M. S. Glickman, Nucleic Acids Res 41:2284–2295, 2013,http://dx.doi.org/10.1093/nar/gks1298), these results revise our view of mycobacterial recombination and place the RecFOR system in a central position in homology-dependent DNA repair.


mSphere ◽  
2019 ◽  
Vol 4 (4) ◽  
Author(s):  
Wen-Wei Zhang ◽  
Greg Matlashewski

ABSTRACT CRISPR-Cas9 genome editing relies on an efficient double-strand DNA break (DSB) and repair. Contrary to mammalian cells, the protozoan parasite Leishmania lacks the most efficient nonhomologous end-joining pathway and uses microhomology-mediated end joining (MMEJ) and, occasionally, homology-directed repair to repair DSBs. Here, we reveal that Leishmania predominantly uses single-strand annealing (SSA) (>90%) instead of MMEJ (<10%) for DSB repair (DSBR) following CRISPR targeting of the miltefosine transporter gene, resulting in 9-, 18-, 20-, and 29-kb sequence deletions and multiple gene codeletions. Strikingly, when targeting the Leishmania donovani LdBPK_241510 gene, SSA even occurred by using direct repeats 77 kb apart, resulting in the codeletion of 15 Leishmania genes, though with a reduced frequency. These data strongly indicate that DSBR is not efficient in Leishmania, which explains why more than half of DSBs led to cell death and why the CRISPR gene-targeting efficiency is low compared with that in other organisms. Since direct repeat sequences are widely distributed in the Leishmania genome, we predict that many DSBs created by CRISPR are repaired by SSA. It is also revealed that DNA polymerase theta is involved in both MMEJ and SSA in Leishmania. Collectively, this study establishes that DSBR mechanisms and their competence in an organism play an important role in determining the outcome and efficacy of CRISPR gene targeting. These observations emphasize the use of donor DNA templates to improve gene editing specificity and efficiency in Leishmania. In addition, we developed a novel Staphylococcus aureus Cas9 constitutive expression vector (pLdSaCN) for gene targeting in Leishmania. IMPORTANCE Due to differences in double-strand DNA break (DSB) repair mechanisms, CRISPR-Cas9 gene editing efficiency can vary greatly in different organisms. In contrast to mammalian cells, the protozoan parasite Leishmania uses microhomology-mediated end joining (MMEJ) and, occasionally, homology-directed repair (HDR) to repair DSBs but lacks the nonhomologous end-joining pathway. Here, we show that Leishmania predominantly uses single-strand annealing (SSA) instead of MMEJ for DSB repairs (DSBR), resulting in large deletions that can include multiple genes. This strongly indicates that the overall DSBR in Leishmania is inefficient and therefore can influence the outcome of CRISPR-Cas9 gene editing, highlighting the importance of using a donor DNA to improve gene editing fidelity and efficiency in Leishmania.


2021 ◽  
Author(s):  
Ajay Kumar Sharma ◽  
Priyanka Shaw ◽  
Aman Kalonia ◽  
M.H. Yashavarddhan ◽  
Pankaj Chaudhary ◽  
...  

Radiation is one of the causative agents for the induction of DNA damage in biological systems. There is various possibility of radiation exposure that might be natural, man-made, intentional, or non-intentional. Published literature indicates that radiation mediated cell death is primarily due to DNA damage that could be a single-strand break, double-strand breaks, base modification, DNA protein cross-links. The double-strand breaks are lethal damage due to the breakage of both strands of DNA. Mammalian cells are equipped with strong DNA repair pathways that cover all types of DNA damage. One of the predominant pathways that operate DNA repair is a non-homologous end-joining pathway (NHEJ) that has various integrated molecules that sense, detect, mediate, and repair the double-strand breaks. Even after a well-coordinated mechanism, there is a strong possibility of mutation due to the flexible nature in joining the DNA strands. There are alternatives to NHEJ pathways that can repair DNA damage. These pathways are alternative NHEJ pathways and single-strand annealing pathways that also displayed a role in DNA repair. These pathways are not studied extensively, and many reports are showing the relevance of these pathways in human diseases. The chapter will very briefly cover the radiation, DNA repair, and Alternative repair pathways in the mammalian system. The chapter will help the readers to understand the basic and applied knowledge of radiation mediated DNA damage and its repair in the context of extensively studied NHEJ pathways and unexplored alternative NHEJ pathways.


2020 ◽  
Vol 48 (11) ◽  
pp. 6032-6052 ◽  
Author(s):  
Linda Jillianne Tsai ◽  
Felicia Wednesday Lopezcolorado ◽  
Ragini Bhargava ◽  
Carlos Mendez-Dorantes ◽  
Eva Jahanshir ◽  
...  

Abstract Chromosomal double strand breaks (DSBs) can initiate several signaling events, such as ubiquitination, however the precise influence of such signaling on DSB repair outcomes remains poorly understood. With an RNA interference screen, we found that the E3 ubiquitin ligase RNF8 suppresses a deletion rearrangement mediated by canonical non-homologous end joining (C-NHEJ). We also found that RNF8 suppresses EJ without insertion/deletion mutations, which is a hallmark of C-NHEJ. Conversely, RNF8 promotes alternative EJ (ALT-EJ) events involving microhomology that is embedded from the edge of the DSB. These ALT-EJ events likely require limited end resection, whereas RNF8 is not required for single-strand annealing repair involving extensive end resection. Thus, RNF8 appears to specifically facilitate repair events requiring limited end resection, which we find is dependent on the DSB end protection factor KU. However, we also find that RNF8 is important for homology-directed repair (HDR) independently of KU, which appears linked to promoting PALB2 function. Finally, the influence of RNF8 on EJ is distinct from 53BP1 and the ALT-EJ factor, POLQ. We suggest that RNF8 mediates both ALT-EJ and HDR, but via distinct mechanisms, since only the former is dependent on KU.


Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document