Holliday-összeköttetés

A homológ rekombináció két útvonala eukariótákban, bemutatva a Holliday-összeköttetések kialakulását és feloldását

A Holliday-összeköttetés a homológ rekombináció egyik kulcsfontosságú köztes terméke, egy olyan biológiai folyamat, amely a genetikai diverzitást növeli a gének két kromoszóma közötti eltolódásával, valamint az integrázok részvételével zajló helyspecifikus rekombinációs eseményekkel. Emellett részt vesznek a kettősszál-törések javításában is. Ezenkívül Holliday-összeköttetéseket tartalmazó kereszt alakú struktúrák keletkezhetnek a DNS-szupertekercsek szimmetrikus szekvenciáinak helikális feszültségeinek enyhítésére. Bár négykaréjos csomópontok funkcionális RNS-molekulákban is megjelennek, például az U1 spliceoszomális RNS-ben és a dohánygyűrűsfoltvírus hajtűs ribozimjában, ezek általában párosítatlan nukleotidokat tartalmaznak a párosított kettős hélix domének között, és így nem veszik fel szigorúan a Holliday-szerkezetet.

A homológ rekombinációban a Holliday-összeköttetések azonos vagy közel azonos szekvenciák között vannak, ami a központi csomópont körüli szekvenciák szimmetrikus elrendeződéséhez vezet. Ez lehetővé teszi az elágazás-migrációs folyamatot, amelyben a szálak az elágazási ponton keresztül mozognak. A Holliday-összeköttetés hasadása vagy feloldása kétféleképpen történhet. Az eredeti szálkészlet hasadása két molekulát eredményez, amelyek génátalakulást mutathatnak, de nem kromoszómális kereszteződést, míg a másik két szálkészlet hasadása a keletkező rekombináns molekuláknál kereszteződést eredményez. Minden termék, függetlenül a hasítástól, heteroduplexek a Holliday-összeköttetés vándorlási régiójában.

Sok fehérje képes felismerni vagy eltorzítani a Holliday-összeköttetés szerkezetét. Az egyik ilyen osztályba tartoznak a csomópontot feloldó enzimek, amelyek a csomópontokat hasítják, néha szekvenciaspecifikus módon. Az ilyen fehérjék különböző módokon torzítják a csomópont szerkezetét, gyakran a csomópontot rakás nélküli konformációba húzva, a központi bázispárokat megtörve és/vagy a négy kar közötti szögeket megváltoztatva. Más osztályba tartoznak az ágvándorló fehérjék, amelyek nagyságrendekkel növelik a csere sebességét, és a helyspecifikus rekombinázok. Prokariótákban a Holliday-összeköttetést feloldó rezolvázok két családba, az integrázok és a nukleázok családjába tartoznak, amelyek mindegyike szerkezetileg hasonló, bár szekvenciájuk nem konzervált.

Eukariótákban a homológ rekombináció DNS kettősszál-törések javításának két elsődleges modellje a kettősszál-törés javítási útvonal (DSBR) (néha kettős Holliday-összeköttetés modelljének is nevezik) és a szintézisfüggő sztrangkötés (SDSA) útvonal. Kettős szálszakadás esetén a 3′-vég lebomlik, és a hosszabb 5′-vég behatol a szomszédos testvérkromatidába, replikációs buborékot képezve. Ahogy ez a buborék megközelíti a törött DNS-t, a hosszabb 5′ antisense szál ismét behatol a DNS ezen részének sense szálába, átírva egy második példányt. Amikor a replikáció véget ér, a két farok újra összekapcsolódik, hogy két Holliday-összeköttetést képezzen, amelyeket aztán a fehérjék különböző mintázatokban hasítanak. Ennek a folyamatnak az animációja itt látható.

A baktériumokban a kettős szálú DNS-töréseket a homológ rekombináció RecBCD útja javítja. Azokat a töréseket, amelyek csak a két DNS-szál egyikén keletkeznek, az úgynevezett egyszálú szakadásokat a RecF útvonal javítja. Mind a RecBCD, mind a RecF útvonal magában foglalja az elágazás-migrációnak nevezett reakciósorozatot, amelynek során az egyes DNS-szálak kicserélődnek két keresztezett duplex DNS-molekula között, valamint a felbontást, amelynek során a két keresztezett DNS-molekula szétvágódik és visszaáll a normál kettősszálú állapotba. A homológ rekombináció a vírusok több csoportjában is előfordul. A DNS-vírusokban, például a herpeszvírusban a rekombináció a baktériumokhoz és az eukariótákhoz hasonlóan törés- és újraegyesülési mechanizmuson keresztül történik. A baktériumokban az ágak vándorlását a RuvABC komplex vagy a RecG fehérje segíti elő, olyan molekuláris motorok, amelyek az ATP-hidrolízis energiáját használják fel az elágazás mozgatására. Az elágazást ezután két különálló duplexre kell felbontani, visszaállítva vagy a szülői konfigurációt, vagy egy keresztezett konfigurációt. A felbontás a homológ rekombináció során horizontális vagy vertikális módon történhet, ami patch-termékeket (ha azonos orientációjúak a kettős szálszakadás javítása során) vagy splice-termékeket (ha eltérő orientációjúak a kettős szálszakadás javítása során) eredményez. A RuvA és a RuvB elágazás-migrációs fehérjék, míg a RuvC egy csomópont-felbontó enzim.

Bizonyítékok vannak a rekombinációra néhány RNS-vírusban, különösen a pozitív szenzusú ssRNS-vírusokban, mint a retrovírusok, pikornavírusok és koronavírusok. Vitatott, hogy a homológ rekombináció előfordul-e a negatív szenzusú ssRNS-vírusokban, mint például az influenza.

FelbontásSzerkesztés

A Saccharomyces cerevisiae bimbós élesztőben a Holliday-kötések négy különböző útvonalon oldhatók fel, amelyek lényegében az összes Holliday-kötés felbontását in vivo biztosítják. A S. cerevisiae bimbós élesztőben és valószínűleg az emlősökben is a kereszteződések többségét előidéző útvonal az EXO1, az MLH1-MLH3 heterodimer (MutL gamma néven) és az SGS1 (a Bloom-szindróma helikáz ortológja) fehérjéket foglalja magában. Az MLH1-MLH3 heterodimer előnyösen kötődik a Holliday-összeköttetésekhez. Ez egy endonukleáz, amely egyszálú töréseket hajt végre a szupertekercselt kettős szálú DNS-ben. Az MLH1-MLH3 heterodimer elősegíti a crossover rekombinánsok kialakulását. Míg a másik három, a MUS81-MMS4, SLX1 és YEN1 fehérjéket érintő útvonal elősegítheti a Holliday-összeköttetések feloldását in vivo, mindhárom nukleáz hiánya csak szerény hatással van a crossover termékek kialakulására.

Az MLH3 (fő útvonal) és az MMS4 (mellékútvonal) szempontjából egyaránt deletált kettős mutánsok a vad típushoz képest drámaian (6- és 17-szeresére) csökkentett kereszteződést mutattak; a spórák életképessége azonban meglehetősen magas volt (62%) és a kromoszómális szétválás többnyire működőképesnek tűnt.

Bár a MUS81 a bimbós élesztők, növények és gerincesek meiózisában egy minor crossover útvonal összetevője, a Tetrahymena thermophila protozoonban a MUS81 egy esszenciális, ha nem is a domináns crossover útvonal részének tűnik. Úgy tűnik, hogy a MUS81 útvonal a Schizosaccharomyces pombe hasadó élesztőben is a domináns crossover útvonal.

Az MSH4 és MSH5 fehérjék hetero-oligomer szerkezetet (heterodimert) alkotnak élesztőben és emberben. A Saccharomyces cerevisiae élesztőben az MSH4 és az MSH5 specifikusan a meiózis során a homológ kromoszómák közötti kereszteződések elősegítésére szolgál. Az MSH4/MSH5 komplex megköti és stabilizálja a kettős Holliday-összeköttetéseket, és elősegíti azok crossover termékekké történő felbontását. Az S. cerevisiae egy MSH4 hipomorf (részben funkcionális) mutánsa 30%-os genomszintű csökkenést mutatott a kereszteződések számában, és nagyszámú meiózist mutatott ki nem cserélődő kromoszómákkal. Mindazonáltal ez a mutáns olyan spóra-életképességi mintázatokat eredményezett, amelyek arra utalnak, hogy a nem cserélődő kromoszómák szegregációja hatékonyan történt. Így az S. cerevisiae-ben a megfelelő szegregáció nyilvánvalóan nem függ teljes mértékben a homológ párok közötti kereszteződésektől.