On the Nature of the Double-Strand Break Repair Defect in Ataxia Telangiectasia Cells
Zusammenfassung der Projektergebnisse
DNA-Doppelstrandbrüche stellen den schwerwiegendsten DNA-Schaden dar und können zum Absterben oder Entarten einer Zelle beitragen. Eine Zelle besitzt jedoch mit dem NHEJ und der HR effiziente Reparaturmechanismen, um diese DSBs zu reparieren, wobei letztere der Zelle nur in der S- und G2-Phase des Zellzyklus‘ zur Verfügung steht. Ein Hauptaugenmerk unserer Studien lag auf der Frage, welche Faktoren die Wahl des DSB-Reparaturwegs in der G2-Phase beeinflussen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Komplexität der DSBs einen Faktor darstellt. Während sehr einfach DSBs via NHEJ repariert werden, erfolgt die Reparatur von komplexen DSBs in der G2-Phase über den Weg der HR. Der zweite Faktor, der die Wahl des Reparaturwegs beeinflusst, ist die Chromatinstruktur. So erfolgt die Reparatur von DSBs, die in heterochromatischen DNA-Bereichen induziert werden, in der G2-Phase über den Weg der HR. Unsere Studien verdeutlichen, dass der Kinase ATM dabei eine doppelte Funktion zukommt. Zum einen ist ATM essentiell für eine lokale Dekondensation des Heterochromatins, welche es durch eine Phosphorylierung des Heterochromatinfaktors KAP-1 vermittelt. Ohne diese Entspannung der Chromatinstruktur ist eine Reparatur von DSBs im Heterochromatin nicht möglich. Zum anderen ist ATM aber auch bei der Einleitung der HR von Bedeutung, da es den initialen Resektionsfaktor CtIP aktiviert. Unsere Untersuchungen konnten zudem zeigen, dass sich ATM im Zuge der Resektion wieder von den Bruchenden ablöst, was zu einer verminderten Phosphorylierung von KAP-1 führt. Das daraus resultierende Schließen des heterochromatischen Bereichs ist essentiell für die nachfolgenden Schritte der HR. Diese können in einem vollständig entspannten Heterochromatin nicht ablaufen, jedoch zeigen unsere Studien, dass die Reparatur der heterochromatischen DSBs unter diesen Bedingungen über einen alternativen NHEJ-Weg erfolgen kann. Der zweite Hauptaspekt unserer Studien befasste sich mit der Frage, ob auch in der G1- Phase Resektionsprozesse an DSBs auftreten, obwohl eine Reparatur mittels HR nicht stattfinden kann. In der Tat konnten unsere Untersuchungen bestätigen, dass auch in der G1-Phase Resektion stattfindet und dass mit CtIP und der Nuklease Artemis auch gleiche Faktoren beteiligt sind wie in der G2-Phase. Die Resektion in der G1-Phase ist jedoch weniger stark ausgeprägt und wird durch andere Faktoren aktiviert. So verdeutlichen unsere Studien, dass die Aktivierung von CtIP in der G1-Phase durch die Kinase Plk3 erfolgt, während CtIP in der G2-Phase ATM- und Cdk-abhängig aktiviert wird. Darüberhinaus konnten wir zeigen, dass die Reparatur der resektierten DSBs in der G1-Phase über den Weg des klassischen c-NHEJ erfolgt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 2011. Factors determining DNA double-strand break repair pathway choice in G2 phase. EMBO J. 30: 1079-92
Shibata A, Conrad S, Birraux J, Geuting V, Barton O, Ismail A, Kakarougkas A, Meek K, Taucher-Scholz G, Löbrich M, Jeggo PA
- 2011. The role of homologous recombination in radiationinduced double-strand break repair. Radiother Oncol. 101: 7-12
Jeggo PA, Geuting V, Löbrich M
- 2013. ATM release at resected double-strand breaks provides heterochromatin reconstitution to facilitate homologous recombination. PLoS Genet. 9: e1003667
Geuting V, Reul C, Löbrich M
(Siehe online unter https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1003667) - 2013. Opposing roles for 53BP1 during homologous recombination. Nucleic Acids Res. 41: 9719-31
Kakarougkas A, Ismail A, Klement K, Goodarzi AA, Conrad S, Freire R, Shibata A, Lobrich M, Jeggo PA
(Siehe online unter https://doi.org/10.1093/nar/gkt729) - 2014. DNA breaks and chromosomal aberrations arise when replication meets base excision repair. J Cell Biol. 206: 29-43
Ensminger M, Iloff L, Ebel C, Nikolova T, Kaina B, Lӧbrich M
(Siehe online unter https://doi.org/10.1083/jcb.201312078) - 2014. Inefficient double-strand break repair in murine rod photoreceptors with inverted heterochromatin organization. Curr Biol. 24: 1080-90
Frohns A, Frohns F, Naumann SC, Layer PG, Löbrich M
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.cub.2014.03.061) - 2014. Polo-like kinase 3 regulates CtIP during DNA double-strand break repair in G1. J Cell Biol. 206: 877-94
Barton O, Naumann SC, Diemer-Biehs R, Künzel J, Steinlage M, Conrad S, Makharashvili N, Wang J, Feng L, Lopez BS, Paull TT, Chen J, Jeggo PA, Löbrich M
(Siehe online unter https://doi.org/10.1083/jcb.201401146) - DNA Double-Strand Break Resection Occurs during Non-homologous End Joining in G1 but Is Distinct from Resection during Homologous Recombination. Molecular Cell, Volume 65, Issue 4, 16 February 2017, Pages 671-684.e5
Barton O, Diemer-Biehs R, Steinlage M, Juhasz S, Künzel J, Spies J, Shibata A, Jeggo PA, Löbrich M
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.molcel.2016.12.016)
