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Le gène XRCC1 code une protéine d’échafaudage moléculaire qui assemble des complexes multiprotéiques impliqués dans la réparation des cassures simple brin de l’ADN (résumé de Hoch et al., 2017).

Les cellules humaines fusionnées avec des lignées mutantes d’ovaire de hamster chinois (CHO), défectueuses au niveau de différents gènes pour la réparation par excision de l’ADN après une irradiation ultraviolette (UV) ou défectueuses dans la réparation après une irradiation X, produisent des hybrides qui conservent le gène humain qui complète le défaut de la lignée CHO lorsqu’il est sélectionné dans des conditions qui nécessitent une réparation. Pour produire des souris transgéniques porteuses d’une mutation dans le locus Xrcc1, Brookman et al. (1994) ont cloné l’homologue murin de XRCC1 à partir de bibliothèques de cosmides génomiques et d’ADNc. L’analyse de l’ADNc a indiqué un cadre de lecture ouvert de 1 893 pb codant pour une protéine de seulement 631 acides aminés, comparativement au polypeptide de 633 acides aminés de XRCC1 humain. Lamerdin et al. (1995) ont trouvé que les protéines humaines et de souris partagent 86% d’identité de séquence.

Whitehouse et al. (2001) ont rapporté que XRCC1 interagit avec la polynucléotide kinase humaine (PNK ; 605610) en plus de ses interactions avec l’ADN polymérase-bêta (POLB ; 174760) et l’ADN ligase III (LIG3 ; 600940). De plus, ces 4 protéines sont co-associées dans des complexes multiprotéiques dans des extraits de cellules humaines, et ensemble elles réparent les cassures simple-brin typiques de celles induites par les espèces réactives de l’oxygène et les radiations ionisantes. Il est frappant de constater que XRCC1 stimule les activités d’ADN kinase et d’ADN phosphatase de PNK aux extrémités endommagées de l’ADN, accélérant ainsi la réaction de réparation globale. Ces données ont permis d’identifier une nouvelle voie pour la réparation des cassures simple brin chez les mammifères et ont démontré un rôle concerté pour XRCC1 et PNK dans l’étape initiale de traitement des extrémités endommagées de l’ADN. In vitro, Sano et al. (2004) ont démontré que la forme longue de l’aprataxine (APTX ; 606350), mais pas la forme courte, interagit avec le domaine C-terminal de XRCC1, suggérant que l’aprataxine peut être impliquée dans le complexe de réparation.

Bhattacharyya et Banerjee (2001) ont découvert que XRCC1 interagit avec un POLB tronqué qui est exprimé dans les tumeurs colorectales et mammaires primaires et inhibe la fonction de réparation normale du POLB de type sauvage. Ils ont déterminé que l’interaction du variant POLB et de XRCC1 est nécessaire pour l’effet inhibiteur dominant.

Loizou et al. (2004) ont montré que la caséine kinase II (CK2 ; voir 115440) phosphoryle XRCC1 et permet ainsi l’assemblage et l’activité des complexes protéiques de réparation des cassures simple brin de l’ADN in vitro et sur les sites de cassure chromosomique. L’inhibition de la phosphorylation de XRCC1 par la mutation des sites de phosphorylation de la CK2 ou par la prévention de l’activité de la CK2 à l’aide d’un inhibiteur hautement spécifique a supprimé la réparation rapide des cassures simple brin de l’ADN cellulaire par XRCC1. Ces données ont permis d’identifier un rôle direct de la CK2 dans la réparation des cassures de brins d’ADN chromosomique et dans le maintien de l’intégrité génétique.

Luo et al. (2004) ont fourni des données biochimiques pour démontrer que 2 complexes protéiques XRCC1 préformés existent dans les cellules HeLa cyclisées. Un complexe contient des enzymes connues qui sont importantes pour la réparation des cassures simple brin, y compris LIG3, PNK et POLB ; l’autre est un nouveau complexe qui contient LIG3 et aprataxin. Luo et al. (2004) ont rapporté la caractérisation du nouveau complexe XRCC1. XRCC1 est phosphorylé in vivo et in vitro par CK2, et la phosphorylation de XRCC1 par CK2 sur ser518, thr519, et thr523 détermine largement la liaison de l’aprataxine à XRCC1 par son domaine FHA. Une perte aiguë de l’aprataxine par petit ARN interférent rend les cellules HeLa sensibles au traitement par méthanesulfonate de méthyle par un mécanisme de raccourcissement de la demi-vie de XRCC1. Ainsi, Luo et al. (2004) ont conclu que l’aprataxine joue un rôle dans le maintien du niveau de protéine stable de XRCC1. Luo et al. (2004) ont conclu que, collectivement, leurs données donnent un aperçu de la machinerie moléculaire de réparation des cassures simple brin dans la cellule et indiquent l’implication de l’aprataxine dans ce processus, reliant ainsi la réparation des cassures simple brin à la maladie neurologique ataxie-apraxie oculomotrice (208920).

Utilisant des fibroblastes humains primaires, Moser et al. (2007) ont montré que XRCC1 et LIG3 étaient des composants centraux essentiels de la réparation par excision de nucléotides (NER). La régulation négative de LIG3 entrave l’élimination des lésions induites par les UV et la jonction des entailles induites par les UV dans l’ADN chromosomique. De plus, XRCC1-LIG3 et la polymérase-delta (voir POLD1 ; 174761) interagissent et se colocalisent avec les composants NER de manière spécifique aux UV tout au long de l’interphase. En revanche, le recrutement de LIG1 (126391) et de la polymérase-epsilon (POLE ; 174762) vers les sites irradiés par les UV n’a été observé que dans les cellules en prolifération. Moser et al. (2007) ont conclu que les ADN ligases et les polymérases sont recrutées de manière différentielle pour la réparation de l’ADN médiée par NER au cours du cycle cellulaire.

Gao et al. (2011) ont rapporté que l’ADN ligase III est essentielle pour l’intégrité de l’ADN mitochondrial mais dispensable pour la réparation de l’ADN nucléaire. L’inactivation de la ligase III dans le système nerveux de la souris a entraîné une perte d’ADNmt conduisant à un profond dysfonctionnement mitochondrial, une perturbation de l’homéostasie cellulaire et une ataxie incapacitante. De même, l’inactivation de la ligase III dans le muscle cardiaque a entraîné un dysfonctionnement mitochondrial et une fonction défectueuse de la pompe cardiaque conduisant à une insuffisance cardiaque. Cependant, l’inactivation de la ligase III n’a pas entraîné de déficience de la réparation de l’ADN nucléaire, ce qui indique que les fonctions essentielles de réparation de l’ADN de Xrcc1 peuvent se produire en l’absence de la ligase III. Au contraire, Gao et al. (2011) ont découvert que la ligase I était essentielle à la réparation de l’ADN, mais qu’elle agissait de manière coopérative avec la ligase III. De plus, la déficience en ligase III ne récapitulait pas les caractéristiques caractéristiques de l’inactivation de Xrcc1 dans les neurones, comme la perte d’interneurones cérébelleux induite par les lésions de l’ADN, ce qui souligne la séparation fonctionnelle de ces facteurs de réparation de l’ADN. Par conséquent, Gao et al. (2011) ont conclu que le rôle biologique de la ligase III est de maintenir l’intégrité de l’ADNmt et non la réparation de l’ADN dépendante de XRCC1.

Simsek et al. (2011) ont démontré un rôle crucial de l’ADN ligase III dans les mitochondries mais pas dans la réparation dépendante de XRCC1. Simsek et al. (2011) ont utilisé la complémentation préventive pour déterminer l’exigence de viabilité de Lig3 dans les cellules de mammifères et son exigence dans la réparation de l’ADN. Diverses formes de Lig3 ont été introduites de manière stable dans des cellules souches embryonnaires de souris contenant un allèle conditionnel de Lig3 qui pouvait être supprimé avec la recombinase Cre. Grâce à cette approche, Gao et al. (2011) ont découvert que Lig3 mitochondrial, mais pas nucléaire, est nécessaire à la viabilité cellulaire. Bien que la fonction catalytique de Lig3 soit nécessaire, le doigt de zinc et les domaines liés à l’extrémité C-terminale de BRAC1 de Lig3 ne le sont pas. De façon remarquable, l’exigence de viabilité pour Lig3 peut être contournée en ciblant Lig1 vers les mitochondries ou en exprimant l’ADN ligase du virus de la Chlorella, l’enzyme eucaryote minimale de scellement, ou LigA d’Escherichia coli, une ligase dépendante du NAD(+). Les cellules Lig3-nulles n’étaient pas sensibles à plusieurs agents endommageant l’ADN qui sensibilisent les cellules déficientes en Xrcc1. Simsek et al. (2011) ont conclu que leurs résultats établissent un rôle pour Lig3 dans les mitochondries, mais le distinguent de sa protéine d’interaction XRCC1.

Lamerdin et al. (1995) ont caractérisé la structure génomique de XRCC1 chez l’homme et la souris. Le gène humain comporte 17 exons et s’étend sur environ 31,9 kb.

Le premier gène complémentaire de la réparation par rayons X (XRCC1) a été cartographié en 19qcen-19q13.3 sur la base de la perte de marqueurs 19p, de la rétention de marqueurs 19q proximaux et de la perte de marqueurs 19q plus distaux (Siciliano et al., 1987). Par analyse de Southern des ADN provenant d’un panel hybride utilisant des sondes pour les 3 gènes de réparation de l’ADN situés sur le chromosome 19, Thompson et al. (1989) ont conclu que ERCC2 (126340) est distal par rapport à XRCC1 et dans la même région, à savoir 19q13.2-q13.3, que ERCC1 (126380), mais sur des fragments de macrorestriction MluI différents. Des expériences similaires utilisant un panel de clones hybrides contenant des chromosomes de hamster chinois en ségrégation ont montré que les homologues hamster des 3 gènes de réparation font partie d’un groupe de liaison hautement conservé sur le chromosome 9 du hamster chinois. L’hémizygosité du chromosome 9 du hamster dans les cellules CHO peut expliquer la fréquence élevée à laquelle des mutations génétiquement récessives sont retrouvées dans ces 3 gènes dans les cellules CHO. Par hybridation in situ en fluorescence, Trask et al. (1993) ont assigné le gène XRCC1 à 19q13.2.

Par hybridation in situ en métaphase, Brookman et al. (1994) ont assigné le gène Xrcc1 de la souris à la région A3-B2 du chromosome 7.

Chez une femme de 47 ans d’origine est-indienne atteinte d’ataxie spinocérébelleuse autosomique récessive-26 (SCAR26 ; 617633), Hoch et al. (2017) ont identifié des mutations hétérozygotes composées dans le gène XRCC1 (194360.0001 et 194360.0002). Les mutations, qui ont été découvertes par séquençage de l’exome et confirmées par séquençage Sanger, ont démontré qu’elles entraînaient une diminution significative des niveaux de protéines, ce qui correspond à une perte de fonction. Les cellules du patient et les cellules XRCC1-null ont montré des niveaux élevés d’ADP-ribosylation des protéines résultant d’une activité PARP1 (173870) accrue. Ces changements cellulaires étaient similaires à ceux observés chez les patients présentant des mutations du partenaire de XRCC1, PNKP (605610), qui souffrent d’ataxie-apraxie oculomotrice-4 (AOA4 ; 616267), dont les caractéristiques se chevauchent. Les résultats ont permis d’identifier l’augmentation des niveaux d’ADP-ribose comme un biomarqueur de l’hyperactivité de PARP1 et comme une cause de l’ataxie cérébelleuse induite par les cassures simple brin non réparées de l’ADN résultant de la perte de XRCC1. Des études menées sur des souris présentant une délétion de Xrcc1 spécifique au cerveau (voir MODÈLE ANIMAL) ont montré que la délétion de Parp1 supprimait les niveaux d’ADP-ribose anormalement élevés, augmentait la densité neuronale dans le cervelet et améliorait les performances motrices, même sans effet sur la réparation des cassures simple brin. Hoch et al. (2017) ont suggéré que PARP1 pourrait être une cible médicamenteuse pour traiter les ataxies cérébelleuses associées à une rupture simple brin de l’ADN non réparée.

Hoch et al. (2017) ont noté que la délétion germinale de Xrcc1 chez les souris est embryonnairement létale. Les souris avec une délétion conditionnelle du gène Xrcc1 dans le cerveau ont présenté une ataxie cérébelleuse avec une apoptose accrue des neurones granuleux cérébelleux, une réduction du nombre d’interneurones cérébelleux et une diminution de l’activité électrophysiologique des pointes dans les cellules de Purkinje. Ces changements étaient associés à une augmentation des niveaux d’ADP-ribose cérébelleux et à une hyperactivation de Parp1. La suppression de Parp1 a entraîné une augmentation du niveau élevé d’ADP-ribose, une augmentation de la densité neuronale dans le cervelet et une amélioration de la performance motrice, même sans effet sur la réparation des cassures simple brin. Ces données ont démontré qu’en l’absence de réparation des cassures simple brin dépendante de Xrcc1, Parp1 est hyperactivé, ce qui entraîne la perte et/ou le dysfonctionnement des neurones cérébelleux.