TEKST

Gen XRCC1 koduje białko rusztowania molekularnego, które montuje kompleksy wielobiałkowe zaangażowane w naprawę przerwania pojedynczej nici DNA (streszczenie wg Hoch i in., 2017).

Człowiecze komórki fuzowane z liniami mutantów jajnika chomika chińskiego (CHO), wadliwymi w różnych genach naprawy wycinania DNA po napromieniowaniu ultrafioletowym (UV) lub wadliwymi w naprawie po napromieniowaniu X, wytwarzają hybrydy, które zachowują ludzki gen, który uzupełnia defekt w linii CHO, gdy są wybierane w warunkach wymagających naprawy. W celu wytworzenia transgenicznych myszy, które niosą mutację w locus Xrcc1, Brookman et al. (1994) sklonowali mureńskiego homologa XRCC1 z obu kosmicznych bibliotek genomowych i cDNA. Analiza cDNA wskazała na 1,893-bp otwartą ramkę odczytu kodującą białko o jedynie 631 aminokwasach, w porównaniu z 633-aminokwasowym polipeptydem ludzkiego XRCC1. Lamerdin et al. (1995) stwierdzili, że białka ludzkie i mysie dzielą 86% identyczności sekwencji.

Whitehouse i wsp. (2001) donieśli, że XRCC1 oddziałuje z ludzką kinazą polinukleotydową (PNK; 605610) oprócz jej interakcji z polimerazą DNA-beta (POLB; 174760) i ligazą DNA III (LIG3; 600940). Co więcej, te 4 białka współwystępują w kompleksach wielobiałkowych w ekstrakcie komórek ludzkich i razem naprawiają pęknięcia pojedynczej nici typowe dla tych indukowanych przez reaktywne formy tlenu i promieniowanie jonizujące. Co znamienne, XRCC1 stymuluje aktywność kinazy DNA i fosfatazy DNA PNK na uszkodzonych zakończeniach DNA, przyspieszając w ten sposób ogólną reakcję naprawczą. Dane te pozwoliły na zidentyfikowanie nowego szlaku naprawy uszkodzeń pojedynczej nici u ssaków i wykazały zgodną rolę XRCC1 i PNK w początkowym etapie przetwarzania uszkodzonych końców DNA. In vitro, Sano et al. (2004) wykazali, że długa forma aprataksyny (APTX; 606350), ale nie forma krótka, oddziałuje z C-końcową domeną XRCC1, co sugeruje, że aprataksyna może być zaangażowana w kompleks naprawczy.

Bhattacharyya i Banerjee (2001) stwierdzili, że XRCC1 oddziałuje z okrojonym POLB, który ulega ekspresji w pierwotnych guzach jelita grubego i piersi i hamuje normalną funkcję naprawczą POLB typu dzikiego. Ustalili oni, że interakcja wariantu POLB i XRCC1 jest wymagana dla dominującego efektu hamującego.

Loizou i wsp. (2004) wykazali, że kinaza kazeinowa II (CK2; patrz 115440) fosforyluje XRCC1 i w ten sposób umożliwia składanie i aktywność kompleksów białek naprawczych pojedynczej nici DNA in vitro oraz w miejscach pęknięć chromosomów. Zahamowanie fosforylacji XRCC1 przez mutację miejsc fosforylacji CK2 lub przez uniemożliwienie aktywności CK2 za pomocą wysoce specyficznego inhibitora spowodowało zniesienie szybkiej naprawy komórkowych pęknięć pojedynczej nici DNA przez XRCC1. Dane te zidentyfikowały bezpośrednią rolę CK2 w naprawie pęknięć chromosomowych nici DNA i w utrzymaniu integralności genetycznej.

Luo et al. (2004) dostarczyli danych biochemicznych, aby wykazać, że 2 wstępnie uformowane kompleksy białkowe XRCC1 istnieją w cyklicznych komórkach HeLa. Jeden kompleks zawiera znane enzymy, które są ważne dla naprawy przerwania pojedynczej nici, w tym LIG3, PNK i POLB; drugi jest nowym kompleksem, który zawiera LIG3 i aprataksynę. Luo i wsp. (2004) opisali charakterystykę nowego kompleksu XRCC1. XRCC1 jest fosforylowany in vivo i in vitro przez CK2, a fosforylacja CK2 XRCC1 na ser518, thr519 i thr523 w dużym stopniu determinuje wiązanie aprataksyny do XRCC1 poprzez jej domenę FHA. Ostra utrata aprataksyny przez małe interferuj±ce RNA czyni komórki HeLa wrażliwymi na traktowanie metanosulfonianem metylu poprzez mechanizm skróconego okresu półtrwania XRCC1. Tak więc Luo i wsp. (2004) doszli do wniosku, że aprataksyna odgrywa rolę w utrzymaniu ustalonego poziomu białka XRCC1. Luo et al. (2004) stwierdzili, że zbiorczo, ich dane dostarczają wgląd w molekularną maszynerię naprawy pojedynczej nici w komórce i wskazują na zaangażowanie aprataksyny w tym procesie, łącząc w ten sposób naprawę pojedynczej nici z chorobą neurologiczną ataksja-okulomotoryczna apraksja (208920).

Używając pierwotnych ludzkich fibroblastów, Moser et al. (2007) wykazali, że XRCC1 i LIG3 były istotnymi składnikami rdzenia naprawy przez wycięcie nukleotydu (NER). Downregulacja LIG3 upośledzała usuwanie uszkodzeń wywołanych promieniowaniem UV oraz ponowne łączenie uszkodzeń wywołanych promieniowaniem UV w chromosomalnym DNA. Ponadto, XRCC1-LIG3 i polimeraza-delta (patrz POLD1; 174761) oddziaływały i kolokowały z komponentami NER w sposób specyficzny dla UV w całej interfazie. Natomiast rekrutacja LIG1 (126391) i polimerazy-epsilon (POLE; 174762) do miejsc napromieniowanych UV była obserwowana tylko w komórkach proliferujących. Moser i wsp. (2007) doszli do wniosku, że ligazy i polimerazy DNA są w różny sposób rekrutowane do naprawy DNA z udziałem NER podczas cyklu komórkowego.

Gao et al. (2011) donoszą, że ligaza DNA III jest niezbędna dla integralności mitochondrialnego DNA, ale jest zbędna dla naprawy jądrowego DNA. Inaktywacja ligazy III w układzie nerwowym myszy spowodowała utratę mtDNA prowadzącą do głębokiej dysfunkcji mitochondriów, zaburzeń homeostazy komórkowej i obezwładniającej ataksji. Podobnie, inaktywacja ligazy III w mięśniu sercowym skutkowała dysfunkcją mitochondriów i wadliwą funkcją pompy serca, co prowadziło do niewydolności serca. Jednakże, inaktywacja ligazy III nie spowodowała niedoboru naprawy jądrowego DNA, wskazując, że istotne funkcje Xrcc1 związane z naprawą DNA mogą zachodzić przy braku ligazy III. Gao i wsp. (2011) stwierdzili natomiast, że ligaza I jest krytyczna dla naprawy DNA, ale działa w sposób kooperacyjny z ligazą III. Dodatkowo, niedobór ligazy III nie rekapitulował cech charakterystycznych dla neuronalnej inaktywacji Xrcc1, takich jak utrata interneuronów móżdżku spowodowana uszkodzeniem DNA, co dodatkowo podkreśla funkcjonalną odrębność tych czynników naprawy DNA. Dlatego Gao et al. (2011) doszli do wniosku, że biologiczną rolą ligazy III jest utrzymanie integralności mtDNA, a nie zależna od XRCC1 naprawa DNA.

Simsek i wsp. (2011) wykazali kluczową rolę ligazy DNA III w mitochondriach, ale nie w naprawie zależnej od XRCC1. Simsek i wsp. (2011) wykorzystali komplementację wyprzedzającą do określenia wymogu żywotności dla Lig3 w komórkach ssaków i jej wymogu w naprawie DNA. Różne formy Lig3 zostały wprowadzone stabilnie do mysich embrionalnych komórek macierzystych zawierających warunkowy allel Lig3, który mógł być usunięty za pomocą rekombinazy Cre. Dzięki temu podej¶ciu Gao i wsp. (2011) odkryli, że mitochondrialny, ale nie j±drowy, Lig3 jest wymagany dla żywotno¶ci komórek. Chociaż funkcja katalityczna Lig3 jest wymagana, domeny palca cynkowego i BRAC1 związane z C-końcem Lig3 nie są wymagane. Co ciekawe, wymóg żywotności Lig3 może być ominięty przez skierowanie Lig1 do mitochondriów lub ekspresję ligazy DNA wirusa Chlorella, minimalnego eukarialnego enzymu uszczelniającego nici, lub Escherichia coli LigA, ligazy NAD(+)-zależnej. Komórki pozbawione Lig3 nie były wrażliwe na kilka czynników uszkadzających DNA, które uwrażliwiają komórki pozbawione Xrcc1. Simsek i wsp. (2011) stwierdzili, że ich wyniki ustaliły rolę Lig3 w mitochondriach, ale odróżnili ją od jej białka współdziałającego XRCC1.

Lamerdin i wsp. (1995) scharakteryzowali strukturę genomową XRCC1 u ludzi i myszy. Ludzki gen ma 17 eksonów i rozciąga się na około 31,9 kb.

Pierwszy gen uzupełniający naprawę rentgenowską (XRCC1) został zmapowany do 19qcen-19q13.3 na podstawie utraty markerów 19p, zachowania proksymalnych markerów 19q i utraty bardziej dystalnych markerów 19q (Siciliano i in., 1987). Poprzez analizę Southern DNA z hybrydowego panelu wykorzystującego sondy dla 3 genów naprawy DNA zlokalizowanych na chromosomie 19, Thompson i wsp. (1989) stwierdzili, że ERCC2 (126340) znajduje się dystalnie od XRCC1 i w tym samym regionie, mianowicie 19q13.2-q13.3, co ERCC1 (126380), ale na różnych fragmentach makrorestrykcji MluI. Podobne eksperymenty z wykorzystaniem panelu klonów hybrydowych zawierających segregujące chromosomy chomika chińskiego wykazały, że chomicze homologi tych 3 genów naprawczych są częścią wysoce konserwatywnej grupy powiązań na chromosomie 9 chomika chińskiego. Hemizygotyczność chromosomu 9 chomika w komórkach CHO może odpowiadać za wysoką częstotliwość, z jaką genetycznie recesywne mutacje są odzyskiwane w tych 3 genach w komórkach CHO. Poprzez hybrydyzację fluorescencyjną in situ, Trask et al. (1993) przypisali gen XRCC1 do 19q13.2.

By metafazowa hybrydyzacja in situ Brookman et al. (1994) zmapowali mysi gen Xrcc1 do regionu A3-B2 chromosomu 7.

W 47-letniej kobiecie pochodzenia wschodnioindyjskiego z autosomalną recesywną ataksją spinocerebellar ataxia-26 (SCAR26; 617633), Hoch i wsp. (2017) zidentyfikowali złożone heterozygotyczne mutacje w genie XRCC1 (194360.0001 i 194360.0002). Wykazano, że mutacje, które zostały znalezione przez sekwencjonowanie egzomu i potwierdzone przez sekwencjonowanie Sangera, skutkują znacznie obniżonym poziomem białka, spójnym z utratą funkcji. Komórki pacjenta i komórki XRCC1-null wykazywały podwyższony poziom ADP-rybozylacji białka wynikający ze zwiększonej aktywności PARP1 (173870). Te zmiany komórkowe były podobne do tych obserwowanych u pacjentów z mutacjami w partnerze XRCC1 PNKP (605610), którzy mają ataksję-okulomotoryczną apraksję-4 (AOA4; 616267), która ma nakładające się cechy. Odkrycia zidentyfikowały zwiększony poziom ADP-rybozy jako biomarker nadaktywności PARP1 i jako przyczynę ataksji móżdżkowej indukowanej przez nienaprawione jednoniciowe pęknięcia DNA wynikające z utraty XRCC1. Badania na myszach ze specyficzną dla mózgu delecją Xrcc1 (patrz MODEL ZWIERZĄT) wykazały, że delecja Parp1 abluje nieprawidłowo zwiększony poziom ADP-rybozy, zwiększa gęstość neuronów w móżdżku i poprawia sprawność motoryczną, nawet bez wpływu na naprawę przerwania pojedynczej nici. Hoch i wsp. (2017) zasugerowali, że PARP1 może być celem lekowym w leczeniu ataksji móżdżkowych związanych z nienaprawioną przerwą pojedynczej nici DNA.

Hoch i wsp. (2017) zauważyli, że germline deletion of Xrcc1 in mice is embryonic lethal. Myszy z warunkową delecją genu Xrcc1 w mózgu wykazywały ataksję móżdżkową ze zwiększoną apoptozą neuronów ziarnistych móżdżku, zmniejszoną liczbą interneuronów móżdżkowych i zmniejszoną elektrofizjologiczną aktywnością spajków w komórkach Purkinjego. Zmiany te były związane z podwyższonym poziomem móżdżkowej ADP-rybozy i hiperaktywacją Parp1. Delecja Parp1 zniosła podwyższony poziom ADP-rybozy, zwiększyła gęstość neuronów w móżdżku i poprawiła sprawność ruchową, nawet bez wpływu na naprawę pojedynczych pęknięć nici. Dane te wykazały, że w przypadku braku zależnej od Xrcc1 naprawy pojedynczych pęknięć nici, Parp1 jest nadaktywny, co prowadzi do utraty i/lub dysfunkcji neuronów móżdżku.