TEXT

Genen XRCC1 kodar för ett molekylärt scaffold-protein som sätter ihop multiproteinkomplex som är involverade i reparationen av DNA-monosträngsbrott (sammanfattning av Hoch et al., 2017).

Mänskliga celler som fusioneras med muterade CHO-linjer (Chinese hamster ovary), som är defekta i olika gener för excisionsreparation av DNA efter ultraviolett (UV)-bestrålning eller defekta i reparationen efter X-strålning, ger hybrider som behåller den mänskliga genen som kompletterar defekten i CHO-linjen när de väljs under förhållanden som kräver reparation. För att producera transgena möss som bär på en mutation i Xrcc1-lokuset klonade Brookman et al. (1994) den murina homologin av XRCC1 från både kosmidgenombibliotek och cDNA-bibliotek. cDNA-analysen visade att det finns en öppen läsram på 1 893 bp som kodar för ett protein som endast innehåller 631 aminosyror, vilket kan jämföras med den humana XRCC1:s polypeptid på 633 aminosyror. Lamerdin et al. (1995) fann att människans och musens proteiner har 86 % sekvensidentitet.

Whitehouse et al. (2001) rapporterade att XRCC1 interagerar med humant polynukleotidkinas (PNK; 605610) utöver sina interaktioner med DNA-polymeras-beta (POLB; 174760) och DNA-ligas III (LIG3; 600940). Dessutom är dessa fyra proteiner samassocierade i multiproteinkomplex i humant celextrakt, och tillsammans reparerar de singelsträngsbrott som är typiska för dem som induceras av reaktiva syrearter och joniserande strålning. Påfallande nog stimulerar XRCC1 PNK:s DNA-kinas- och DNA-fosfatasverksamhet vid skadade DNA-terminaler, vilket påskyndar den totala reparationsreaktionen. Dessa uppgifter identifierade en ny väg för reparation av singelsträngsbrott hos däggdjur och visade på en samordnad roll för XRCC1 och PNK i det första steget i bearbetningen av skadade DNA-ändar. In vitro visade Sano et al. (2004) att den långa formen av aprataxin (APTX; 606350), men inte den korta formen, interagerar med den C-terminala domänen av XRCC1, vilket tyder på att aprataxin kan vara involverat i reparationskomplexet.

Bhattacharyya och Banerjee (2001) fann att XRCC1 interagerar med en trunkerad POLB som uttrycks i primära kolorektal- och brösttumörer och hämmar den normala reparationsfunktionen hos POLB av vildtyp. De fastställde att interaktionen mellan varianten POLB och XRCC1 krävs för den dominerande hämmande effekten.

Loizou et al. (2004) visade att kaseinkinas II (CK2; se 115440) fosforylerar XRCC1 och därigenom möjliggör sammansättning och aktivitet av proteinkomplex för reparation av DNA-singelsträngsbrott in vitro och på platser med kromosombrott. Hämning av XRCC1-fosforylering genom mutation av CK2-fosforyleringsställena eller genom att förhindra CK2-aktivitet med hjälp av en mycket specifik hämmare avskaffade XRCC1:s snabba reparation av cellulära DNA-singelsträngsbrott. Dessa data identifierade en direkt roll för CK2 i reparationen av kromosomala DNA-strängbrott och i upprätthållandet av den genetiska integriteten.

Luo et al. (2004) tillhandahöll biokemiska data för att visa att det finns två förbildade XRCC1-proteinkomplex i cyklande HeLa-celler. Det ena komplexet innehåller kända enzymer som är viktiga för reparation av singelsträngsbrott, inklusive LIG3, PNK och POLB; det andra är ett nytt komplex som innehåller LIG3 och aprataxin. Luo et al. (2004) rapporterade om karakteriseringen av det nya XRCC1-komplexet. XRCC1 fosforyleras in vivo och in vitro av CK2, och CK2-fosforylering av XRCC1 på ser518, thr519 och thr523 bestämmer till stor del aprataxinbindningen till XRCC1 genom dess FHA-domän. En akut förlust av aprataxin genom små interfererande RNA gör HeLa-celler känsliga för behandling med metylmetansulfonat genom en mekanism med förkortad halveringstid för XRCC1. Luo et al. (2004) drog därför slutsatsen att aprataxin spelar en roll för att upprätthålla den stabila proteinnivån för XRCC1. Luo et al. (2004) drog slutsatsen att deras data sammantaget ger insikter i det molekylära maskineriet för reparation av singelsträngsbrott i cellen och pekar på att aprataxin är involverat i denna process, och därmed kopplar reparation av singelsträngsbrott till den neurologiska sjukdomen ataxia-oculomotorisk apraxi (208920).

Med hjälp av primära mänskliga fibroblaster visade Moser et al. (2007) att XRCC1 och LIG3 var viktiga kärnkomponenter i nukleotid-excisionsreparation (NER). Nedreglering av LIG3 försämrade avlägsnandet av UV-inducerade skador och återförening av UV-inducerade klyftor i kromosomalt DNA. Dessutom interagerade XRCC1-LIG3 och polymeras-delta (se POLD1; 174761) och samlokaliserades med NER-komponenter på ett UV-specifikt sätt under hela interfasen. Däremot observerades rekrytering av LIG1 (126391) och polymeras-epsilon (POLE; 174762) till UV-strålade platser endast i prolifererande celler. Moser et al. (2007) drog slutsatsen att DNA-ligaser och polymeraser rekryteras differentiellt för NER-medierad DNA-reparation under cellcykeln.

Gao et al. (2011) rapporterade att DNA-ligas III är viktigt för mitokondriell DNA-integritet men överflödigt för nukleär DNA-reparation. Inaktivering av ligas III i musens nervsystem resulterade i mtDNA-förlust som ledde till djupgående mitokondriell dysfunktion, störning av den cellulära homeostasen och invalidiserande ataxi. På samma sätt ledde inaktivering av ligas III i hjärtmuskeln till mitokondriell dysfunktion och defekt hjärtpumpsfunktion som ledde till hjärtsvikt. Inaktivering av ligas III resulterade dock inte i bristande nukleär DNA-reparation, vilket tyder på att Xrcc1:s viktiga funktioner för reparation av DNA-reparation kan uppstå i avsaknad av ligas III. Gao et al. (2011) fann i stället att ligas I var kritiskt för DNA-reparation, men agerade på ett kooperativt sätt med ligas III. Dessutom återskapade ligas III-brist inte de utmärkande egenskaperna hos inaktivering av neurala Xrcc1, t.ex. DNA-skada-inducerad förlust av cerebellära interneuroner, vilket ytterligare understryker den funktionella separationen av dessa DNA-reparationsfaktorer. Gao et al. (2011) drog därför slutsatsen att ligas III:s biologiska roll är att upprätthålla mtDNA-integriteten och inte XRCC1-beroende DNA-reparation.

Simsek et al. (2011) påvisade en avgörande roll för DNA-ligas III i mitokondrier men inte för XRCC1-beroende reparation. Simsek et al. (2011) använde preemptiv komplementering för att fastställa livskraftskravet för Lig3i däggdjursceller och dess krav på DNA-reparation. Olika former av Lig3 introducerades stabilt i embryonala stamceller av mus som innehöll en villkorlig allel av Lig3 som kunde raderas med Cre-rekombinas. Med detta tillvägagångssätt fann Gao et al. (2011) att mitokondriell, men inte nukleär, Lig3 krävs för cellulär livskraft. Även om Lig3:s katalytiska funktion krävs, krävs inte Lig3:s zinkfinger- och BRAC1 C-terminalrelaterade domäner. Det är anmärkningsvärt att livskraftsbehovet för Lig3 kan kringgås genom att rikta Lig1 till mitokondrierna eller genom att uttrycka Chlorella-virus-DNA-ligas, det minimala eukaryala nickförseglande enzymet, eller Escherichia coli LigA, ett NAD(+)-beroende ligas. Lig3-null-celler var inte känsliga för flera DNA-skadande ämnen som gör Xrcc1-bristfälliga celler känsliga. Simsek et al. (2011) drog slutsatsen att deras resultat fastställde en roll för Lig3 i mitokondrier, men skilde det från dess interagerande protein XRCC1.

Lamerdin et al. (1995) karakteriserade den genomiska strukturen för XRCC1 hos människor och möss. Den mänskliga genen har 17 exoner och sträcker sig över cirka 31,9 kb.

Den första röntgenreparationskompletterande genen (XRCC1) kartlades till 19qcen-19q13.3 på grundval av förlusten av 19p-markörer, bibehållandet av proximala 19q-markörer och förlusten av mer distala 19q-markörer (Siciliano et al., 1987). Genom Southern-analys av DNA från en hybridpanel med prober för de tre DNA-reparationsgener som finns på kromosom 19, drog Thompson et al. (1989) slutsatsen att ERCC2 (126340) är distal till XRCC1 och i samma region, nämligen 19q13.2-q13.3, som ERCC1 (126380), men på olika MluI-makrorestriktionsfragment. Liknande experiment med hjälp av en hybridklonpanel som innehåller segregerande kinesiska hamsterkromosomer visade att hamsterhomologerna till de tre reparationsgenerna ingår i en mycket bevarad kopplingsgrupp på kinesiska hamsterns kromosom 9. Hemizygositeten hos hamsterkromosom 9 i CHO-celler kan förklara den höga frekvensen med vilken genetiskt recessiva mutationer återfinns i dessa tre gener i CHO-celler. Genom fluorescens in situ-hybridisering tilldelade Trask et al. (1993) XRCC1-genen till 19q13.2.

Med hjälp av in situ-hybridisering i metafas har Brookman et al. (1994) kartlagt Xrcc1-genen hos musen till A3-B2-regionen på kromosom 7.

I en 47-årig kvinna av östindisk härkomst med autosomalt recessiv spinocerebellär ataxi-26 (SCAR26; 617633) identifierade Hoch et al. (2017) sammansatta heterozygota mutationer i XRCC1-genen (194360.0001 och 194360.0002). Mutationerna, som hittades genom exomsekvensering och bekräftades genom Sanger-sekvensering, visades resultera i signifikant minskade proteinnivåer, vilket stämmer överens med en funktionsförlust. Patientceller och XRCC1-nullceller uppvisade förhöjda nivåer av ADP-ribosylering av protein till följd av ökad aktivitet av PARP1 (173870). Dessa cellförändringar liknade dem som observerades hos patienter med mutationer i XRCC1-partnern PNKP (605610) som har ataxia-oculomotorisk apraxi-4 (AOA4; 616267), som har överlappande egenskaper. Resultaten identifierade ökade ADP-ribose-nivåer som en biomarkör för PARP1-hyperaktivitet och som en orsak till cerebellär ataxi som induceras av oreparerade enkelsträngade DNA-brott till följd av förlust av XRCC1. Studier på möss med hjärnspecifik Xrcc1-deletion (se Djurmodell) visade att deletion av Parp1 ablade de onormalt förhöjda ADP-ribose-nivåerna, ökade neurontätheten i lillhjärnan och förbättrade den motoriska prestandan även utan effekt på reparationen av singelsträngsbrott. Hoch et al. (2017) föreslog att PARP1 kan vara ett läkemedelsmål för behandling av cerebellära ataxier som är förknippade med oreparerade enkelsträngade DNA-brott.

Hoch et al. (2017) noterade att germlinedeletion av Xrcc1 hos möss är embryonalt dödlig. Möss med villkorlig deletion av Xrcc1-genen i hjärnan uppvisade cerebellär ataxi med ökad apoptos av cerebellära granulära neuroner, minskat antal cerebellära interneuroner och minskad elektrofysiologisk spikaktivitet i Purkinjeceller. Dessa förändringar var förknippade med ökade nivåer av cerebellär ADP-ribose och hyperaktivering av Parp1. Deletion av Parp1 avskaffade den förhöjda nivån av ADP-ribose, ökade neurontätheten i lillhjärnan och förbättrade den motoriska prestandan även utan effekt på reparationen av singelsträngsbrott. Uppgifterna visade att i avsaknad av Xrcc1-beroende reparation av singelsträngsbrott är Parp1 hyperaktiverad, vilket resulterar i förlust och/eller dysfunktion av cerebellära neuroner.