RecQ-Helikopter

RecQ-Helikasen sind eine Familie von Helikase- Enzymen, die ursprünglich in Escherichia coli entdeckt wurden ^{[ 1 ]} und eine wichtige Rolle bei der Genomerhaltung spielen ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} . Sie katalysieren die Reaktion ATP + _H₂O → ADP + P und bewirken so das Entwinden gepaarter DNA und die Translokation in 3'-5'-Richtung. Diese Enzyme können auch die Reaktion NTP + H₂O _{→ NDP + P katalysieren und dadurch sowohl} DNA als auch RNA entwinden .

Bei Prokaryoten ist RecQ für die Plasmidrekombination und die DNA-Reparatur nach UV-Licht, freien Radikalen und Alkylierungsmitteln unerlässlich . Dieses Protein kann zudem Schäden durch Replikationsfehler rückgängig machen. Bei Eukaryoten verläuft die Replikation ohne RecQ-Proteine ​​nicht normal; diese Proteine ​​spielen außerdem eine Rolle bei Alterungsprozessen, Genstilllegung, Rekombination und DNA-Reparatur.

Die Mitglieder der RecQ-Familie weisen drei gemeinsame Regionen konservierter Proteinsequenzen auf, die als die folgenden bezeichnet werden:

• N-Terminus – Helikase
• Mitte – RecQ-erhaltend (RecQ-Ct) und
• C-terminal – Helicase- und RNase-D C-terminale (HRDC) Domänen.

Die Entfernung der N-terminalen Aminosäuren (Helikase- und RecQ-Ct-Domäne) beeinträchtigt sowohl die Helikase- als auch die ATPase-Aktivität, hat aber keinen Einfluss auf die Bindungsfähigkeit von RecQ. Dies deutet darauf hin, dass der N-Terminus als katalytisches Ende fungiert. Verkürzungen des C-Terminus (HRDC-Domäne) beeinträchtigen die Bindungsfähigkeit von RecQ, nicht aber die katalytische Funktion. Die Bedeutung von RecQ für zelluläre Funktionen wird durch menschliche Erkrankungen verdeutlicht, die alle zu genomischer Instabilität und einer Prädisposition für Krebs führen.

Es gibt mindestens fünf menschliche RecQ-Gene; Mutationen in drei dieser Gene sind mit erblichen Erkrankungen assoziiert: das WRN- Gen beim Werner-Syndrom (WS), das BLM- Gen beim Bloom-Syndrom (BS) und RECQL4 beim Rothmund-Thomson-Syndrom . ^{[ 5 ]} Diese Syndrome sind durch vorzeitiges Altern gekennzeichnet und können zu Erkrankungen wie Krebs , Typ-2 - Diabetes , Osteoporose und Arteriosklerose führen , die häufig im höheren Alter auftreten. Diese Erkrankungen gehen mit einer hohen Inzidenz von Chromosomenaberrationen einher, darunter Chromosomenbrüche, komplexe Umlagerungen, Deletionen und Translokationen, ortsspezifische Mutationen und insbesondere Schwesterchromatidaustausche (häufiger beim BS), die vermutlich durch eine hohe somatische Rekombinationsrate verursacht werden.

Die korrekte Funktion der RecQ-Helikasen erfordert die spezifische Interaktion mit der Topoisomerase III (Top 3). Top 3 verändert den topologischen Zustand der DNA, indem es einzelsträngige DNA bindet und spaltet. Dabei wird entweder ein einzelsträngiges oder ein doppelsträngiges DNA-Segment durch den vorübergehenden Bruch transportiert und dieser anschließend wieder verbunden. Die Interaktion der RecQ-Helikase mit der Topoisomerase III im N-terminalen Bereich ist an der Unterdrückung spontaner und durch DNA-Schäden induzierter Rekombination beteiligt. Das Fehlen dieser Interaktion führt zu einem letalen oder sehr schweren Phänotyp. Es zeigt sich deutlich, dass RecQ-Helikasen gemeinsam mit Top 3 die genomische Stabilität und Integrität aufrechterhalten, indem sie Rekombinationsereignisse kontrollieren und DNA-Schäden in der G2-Phase des Zellzyklus reparieren. Die Bedeutung von RecQ für die genomische Integrität wird durch die Krankheiten verdeutlicht, die als Folge von Mutationen oder Funktionsstörungen der RecQ-Helikasen entstehen. Daher ist die Anwesenheit und Funktion von RecQ entscheidend für ein gesundes menschliches Wachstum und eine gesunde Entwicklung.

Die Werner-Syndrom -ATP-abhängige Helikase (WRN-Helikase) ist unter den Helikasen der RecQ-DNA-Familie insofern ungewöhnlich, als sie zusätzlich eine Exonukleaseaktivität aufweist . WRN interagiert mit DNA-PKcs und dem Ku-Proteinkomplex . Diese Beobachtung, zusammen mit dem Nachweis, dass WRN-defiziente Zellen umfangreiche Deletionen an den Verbindungsstellen nicht-homologer DNA-Enden aufweisen, deutet auf eine Rolle des WRN-Proteins im DNA-Reparaturprozess der nicht-homologen Endverknüpfung (NHEJ) hin. ^{[ 6 ]} WRN interagiert außerdem physikalisch mit dem wichtigen NHEJ-Faktor X4L4 ( XRCC4 - DNA-Ligase-4- Komplex). ^{[ 7 ]} X4L4 stimuliert die Exonukleaseaktivität von WRN, was wahrscheinlich die DNA-Endverarbeitung vor der finalen Ligation durch X4L4 erleichtert. ^{[ 7 ]}

WRN scheint auch eine Rolle bei der Auflösung von Rekombinationszwischenstrukturen während der homologen Rekombinationsreparatur (HRR) von DNA-Doppelstrangbrüchen zu spielen. ^{[ 6 ]}

WRN ist an einem Komplex mit den Proteinen RAD51 , RAD54, RAD54B und ATR beteiligt, der den Rekombinationsschritt während der Reparatur von DNA-Quervernetzungen zwischen den Strängen durchführt . ^{[ 8 ]}

Es wurden Belege dafür vorgelegt, dass WRN eine direkte Rolle bei der Reparatur von durch Methylierung verursachten DNA-Schäden spielt . Der Prozess beinhaltet wahrscheinlich die Helikase- und Exonukleaseaktivitäten von WRN, die zusammen mit der DNA-Polymerase beta bei der Basenexzisionsreparatur langer Bereiche wirken . ^{[ 9 ]}

Es wurde festgestellt, dass WRN eine spezifische Rolle bei der Prävention oder Reparatur von DNA-Schäden spielt, die durch chronischen oxidativen Stress verursacht werden , insbesondere in sich langsam teilenden Zellen. ^{[ 10 ]} Dieser Befund legte nahe, dass WRN eine wichtige Rolle bei der Behandlung oxidativer DNA-Schäden spielen könnte, die dem normalen Alterungsprozess zugrunde liegen ^{[ 10 ]} (siehe DNA-Schadenstheorie des Alterns ).

Zellen von Menschen mit Bloom-Syndrom reagieren empfindlich auf DNA-schädigende Substanzen wie UV-Strahlung und Methylmethansulfonat ^{[ 11 ],} was auf eine mangelhafte DNA-Reparaturfähigkeit hinweist .

Die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae kodiert ein Ortholog des Bloom-Syndrom-Proteins (BLM), das als Sgs1 (Slow growth suppressor 1) bezeichnet wird. Sgs1(BLM) ist eine Helikase, die an der homologen Rekombinationsreparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen beteiligt ist. Die Sgs1(BLM)-Helikase scheint ein zentraler Regulator der meisten Rekombinationsereignisse während der Meiose von S. cerevisiae zu sein . ^{[ 12 ]} Während der normalen Meiose steuert Sgs1(BLM) die Rekombination in Richtung der alternativen Bildung von entweder frühen Nicht-Crossovers oder Holliday-Junction -Molekülen, wobei letztere anschließend zu Crossovers aufgelöst werden . ^{[ 12 ]}

In der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) wirken Homologe der Sgs1(BLM)-Helikase als wichtige Barrieren für die meiotische Crossover-Bildung. ^{[ 13 ]} Man geht davon aus, dass diese Helikasen den eindringenden Strang verdrängen und so dessen Hybridisierung mit dem anderen 3'-Überhang des Doppelstrangbruchs ermöglichen. Dies führt durch einen Prozess namens syntheseabhängiges Strangannealing (SDSA) zur Bildung von Rekombinanten ohne Crossover (siehe Wikipedia-Artikel „ Genetische Rekombination “). Schätzungsweise werden nur etwa 5 % der Doppelstrangbrüche durch Crossover-Rekombination repariert. Sequela-Arnaud et al. ^{[ 13 ]} vermuteten, dass die Anzahl der Crossover aufgrund der langfristigen Kosten der Crossover-Rekombination begrenzt ist, d. h. aufgrund der Zerstörung von durch natürliche Selektion in der Vergangenheit entstandenen vorteilhaften Allelkombinationen .

Bei Menschen mit Rothmund-Thomson-Syndrom und der Keimbahnmutation im RECQL4- Gen zeigen sich verschiedene klinische Merkmale beschleunigter Alterung . Dazu gehören Hautatrophie und Pigmentveränderungen, Alopezie , Osteopenie , Katarakte und ein erhöhtes Krebsrisiko . [ ^{14 ] Auch} RECQL4-mutierte Mäuse weisen Merkmale beschleunigter Alterung auf. ^{[ 15 ]}

RECQL4 spielt eine entscheidende Rolle bei der DNA-Endreparatur, dem ersten Schritt der homologen Rekombination (HR)-abhängigen Reparatur von Doppelstrangbrüchen. ^{[ 16 ]} Bei einem Mangel an RECQL4 sind die HR-vermittelte Reparatur und die 5'-Endreparatur in vivo stark reduziert. RECQL4 scheint auch für andere Formen der DNA-Reparatur, wie die nicht-homologe Endverknüpfung , die Nukleotidexzisionsreparatur und die Basenexzisionsreparatur , notwendig zu sein . ^{[ 14 ]} Der Zusammenhang zwischen einer mangelhaften RECQL4-vermittelten DNA-Reparatur und beschleunigter Alterung steht im Einklang mit der DNA-Schadenstheorie des Alterns .

• Bloom-Syndrom

• RecQ Helicases Archived 2004-11-02 at the Wayback Machine , introduction at UNC 's Sekelsky Lab.
• Das BLM-Gen kodiert eine RecQ-Helikase , Beschreibung des Gens