MRN-komplex
MRN -komplexet (MRX-komplex i jäst) är ett proteinkomplex som består av Mre11 , Rad50 och Nbs1 (även känt som Nibrin hos människor och som Xrs2 i jäst). I eukaryoter spelar MRN/X-komplexet en viktig roll i den initiala bearbetningen av dubbelsträngade DNA-brott före reparation genom homolog rekombination eller icke-homolog ändsammanfogning . MRN-komplexet binder flitigt till dubbelsträngsbrott både in vitro och in vivo och kan tjäna till att binda ihop brutna ändar före reparation genom icke-homolog ändförbindning eller för att initiera DNA-ändresektion före reparation genom homolog rekombination . MRN-komplexet deltar också i att aktivera checkpoint kinas ATM som svar på DNA-skada. Produktion av korta enkelsträngade oligonukleotider genom Mre11-endonukleasaktivitet har varit inblandad i ATM-aktivering av MRN-komplexet.
Evolutionär härkomst och biologisk funktion
MRN-komplexet har huvudsakligen studerats i eukaryoter. Nyligen arbete visar dock att två av de tre proteinkomponenterna i detta komplex, Mre11 och Rad50, också är bevarade i befintliga prokaryota arkéer. Detta fynd tyder på att nyckelkomponenter i det eukaryota MRN-komplexet härrör från evolutionär härkomst från arkean. I arkeonen Sulfolobus acidocaldarius interagerar Mre11-proteinet med Rad50-proteinet och verkar ha en aktiv roll i reparationen av DNA-skador som experimentellt introducerats av gammastrålning. På liknande sätt krävs under meios i den eukaryota protisten Tetrahymena Mre11 för reparation av DNA-skador, i detta fall dubbelsträngsbrott, genom en process som sannolikt involverar homolog rekombination.
Biologisk funktion
Reparation av dubbelsträngat DNA-brott
I eukaryoter har MRN-komplexet (genom samarbete mellan dess underenheter) identifierats som en avgörande aktör i många stadier av reparationsprocessen av dubbelsträngade DNA-brott: initial upptäckt av en lesion, stopp av cellcykeln för att möjliggöra reparation, val av en specifik reparationsväg (dvs via homolog rekombination eller icke-homolog ändsammanfogning ) och tillhandahållande av mekanismer för att initiera rekonstruktion av DNA-molekylen (primärt via rumslig sida vid sida av ändarna av trasiga kromosomer). Initial detektering tros kontrolleras av både Nbs1 och MRE11. På samma sätt styrs cellcykelkontrollpunktsreglering slutligen av fosforyleringsaktiviteten hos ATM-kinaset, vilket är vägberoende på både Nbs1 och MRE11. Enbart MRE11 är känt för att bidra till att reparera vägval, medan MRE11 och Rad50 samverkar för att rymdmässigt anpassa DNA-molekyler: Rad50 binder samman två linjära DNA-molekyler medan MRE11 finjusterar inriktningen genom att binda till ändarna av de trasiga kromosomerna.
Telomer underhåll
Telomerer upprätthåller integriteten hos ändarna av linjära kromosomer under replikering och skyddar dem från att kännas igen som dubbelsträngsbrott av DNA-reparationsmaskineriet. MRN deltar i telomerunderhållet främst via association med TERF2 -proteinet i shelterinkomplexet . Ytterligare studier har föreslagit att Nbs1 är ett nödvändigt komponentprotein för telomerförlängning av telomeras. Dessutom har nedbrytning av MRN visat sig avsevärt minska längden på G-överhänget vid mänskliga telomerändar, vilket kan hämma den korrekta bildningen av den så kallade T-loopen , vilket destabiliserar telomeren som helhet. Telomerförlängning i cancerceller genom den alternativa förlängningsmekanismen för telomerer ( ALT ) har också visat sig vara beroende av MRN, särskilt på Nbs1-subenheten. Sammantaget tyder dessa studier på att MRN spelar en avgörande roll för att upprätthålla både längden och integriteten hos telomerer.
Roll i mänskliga sjukdomar
Mutationer i MRE11 har identifierats hos patienter med en ataxi-telangiektasiliknande störning (ATLD). Mutationer i RAD50 har kopplats till en Nijmegen Breakage Syndrome-liknande störning (NBSLD). Mutationer i NBN-genen, som kodar för den humana Nbs1-subenheten av MRN-komplexet, är orsaken till Nijmegen Breakage Syndrome . Alla tre störningarna tillhör en grupp av kromosomala instabilitetssyndrom som är förknippade med nedsatt DNA-skadesvar och ökad cellulär känslighet för joniserande strålning.
Roll i mänsklig cancer
MRN-komplexets roller i cancerutvecklingen är lika varierande som dess biologiska funktioner. Dubbelsträngat DNA-brott, som det övervakar och signalerar för reparation, kan i sig vara orsaken till cancerogena genetiska förändringar, vilket tyder på att MRN ger en skyddande effekt under normal cellhomeostas. Uppreglering av MRN-komplexa subenheter har dock dokumenterats i vissa cancercellinjer jämfört med icke-maligna somatiska celler, vilket tyder på att vissa cancerceller har utvecklat ett beroende av MRN-överuttryck. Eftersom tumörceller har ökade mitotiska hastigheter jämfört med icke-maligna celler är detta inte helt oväntat, eftersom det är troligt att en ökad DNA-replikationshastighet kräver högre nukleära nivåer av MRN-komplexet. Det finns dock allt fler bevis för att MRN i sig är en del av cancer , metastaser och övergripande canceraggression.
Tumörbildning
I mössmodeller har mutationer i Nbs1 -subenheten av MRN enbart (som producerar den fenotypiska analogen av Nijmegen Breakage Syndrome hos människor) misslyckats med att producera tumörbildning. Dubbla knockoutmöss med muterad Nbs1 som också var noll av p53 -tumörsuppressorgenen visade dock tumördebut betydligt tidigare än deras p53-vildtypkontroller. Detta innebär att Nbs1-mutationer i sig är tillräckliga för tumörbildning; en brist på malignitet i kontrollen verkar hänföras till aktiviteten av p53, inte av benigniteten hos Nbs1-mutationer. Förlängningsstudier har bekräftat en ökning av B- och T-cellslymfom hos Nbs1-muterade möss i samband med p53-suppression, vilket indikerar potentiell p53-inaktivering i lymfomogenes, vilket inträffar oftare hos NBS-patienter. Nedbrytning av MRE11 i olika humana cancercellinjer har också associerats med en 3-faldig ökning av nivån av p16INK4a tumörsuppressorprotein, som kan inducera cellulär senescens och därefter stoppa tumörcellsproliferation. Detta tros främst vara resultatet av metylering av p16INK4 -promotorgenen av MRE11 . Dessa data tyder på att bibehålla integriteten och normala uttrycksnivåer av MRN ger en skyddande effekt mot tumörbildning.
Metastas
Undertryckande av MRE11 -uttryck i genetiskt modifierade humana bröst- ( MCF7 ) och ben (U2OS) cancercellinjer har resulterat i minskad migrationskapacitet hos dessa celler, vilket indikerar att MRN kan underlätta metastatisk spridning av cancer. Minskat uttryck av MMP-2- och MMP-3- matrismetalloproteinaser , som är kända för att underlätta invasion och metastasering, inträffade samtidigt i dessa MRE11-knockdown-celler. På liknande sätt har överuttryck av Nbs1 i humana huvud- och nackeskivepitelcancerprover (HNSCC) visat sig inducera epitelial-mesenkymal övergång (EMT), som i sig spelar en avgörande roll i cancermetastaser. I samma studie var Nbs1-nivåerna signifikant högre i sekundära tumörprover än i prover från den primära tumören, vilket ger bevis på en positiv korrelation mellan metastaserande spridning av tumörceller och nivåer av MRN-uttryck. Sammantaget tyder dessa data på att minst två av de tre underenheterna av MRN spelar en roll i att förmedla tumörmetastaser, troligen via en association mellan överuttryckt MRN och både endogena (EMT-övergång) och exogena (ECM-struktur) cellmigreringsmekanismer.
Aggression
Cancerceller har nästan universellt uppreglerade telomerunderhållsmekanismer som möjliggör deras gränslösa replikativa potential . MRN-komplexets biologiska roll vid underhåll av telomerer har föranlett forskning som kopplar MRN till cancercellers odödlighet. I humana HNSCC-cellinjer har störningar av Nbs1-genen (som nedreglerar uttrycket av hela MRN-komplexet) resulterat i minskad telomerlängd och ihållande dödlig DNA-skada i dessa celler. I kombination med behandling av PARP (poly (ADP-ribos) polymeras)-hämmare (känd som PARPi), visade dessa celler en ännu större minskning av telomerlängden, vilket stoppade tumörcellsproliferation både in vitro och in vivo via musmodeller ympade med olika HNSCC cellinjer. Medan behandling med enbart PARPi har varit känd för att inducera apoptos i BRCA-muterade cancercellinjer, visar denna studie att MRN-nedreglering kan sensibilisera BRCA-kunniga celler (de som inte har BRCA-mutationer) för behandling med PARPi, vilket erbjuder ett alternativt sätt att kontrollera tumöraggression .
MRN-komplexet har också varit inblandat i flera vägar som bidrar till cancerstamcellers okänslighet för de DNA-skadliga effekterna av kemoterapi och strålbehandling , vilket är en källa till övergripande tumöraggression. Specifikt har MRN-hämmaren Mirin (hämmar MRE11) visat sig störa förmågan hos ATM -kinas att kontrollera G2-M DNA-skadekontrollpunkten, som krävs för reparation av dubbelsträngade DNA-avbrott. Förlusten av denna kontrollpunkt tar bort cancerstamcellers förmåga att reparera dödliga genetiska lesioner, vilket gör dem sårbara för DNA-skadande terapeutiska medel. På samma sätt har överuttryck av Nbs1 i HNSCC-celler korrelerats med ökad aktivering av PI3K/AKT- vägen, som i sig har visat sig bidra till tumöraggression genom att minska apoptos. Sammantaget verkar cancerceller förlita sig på MRN:s signalerings- och reparationsförmåga som svar på DNA-skador för att uppnå resistens mot moderna kemo- och strålbehandlingar.