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O gene XRCC1 codifica uma proteína de andaime molecular que reúne complexos de multiproteínas envolvidas no reparo de quebra de DNA de cadeia única (resumo por Hoch et al., 2017).

Células humanas fundidas com linhas mutantes de hamster chinês (CHO), defeituosas em diferentes genes para reparo da excisão do DNA após irradiação ultravioleta (UV) ou defeituosas em reparo após irradiação X, produzem híbridos que retêm o gene humano que complementa o defeito na linha CHO quando selecionado sob condições que requerem reparo. Para produzir ratos transgênicos que carregam uma mutação no locus Xrcc1, Brookman et al. (1994) clonaram o homólogo murino do XRCC1 a partir de ambas as bibliotecas cosmid genômicas e cDNA. A análise cDNA indicou um quadro de leitura aberta de 1.893-bp codificando uma proteína de apenas 631 aminoácidos, comparado com o polipeptídeo 633-aminoácido do XRCC1 humano. Lamerdin et al. (1995) descobriram que as proteínas humanas e do rato partilham 86% de identidade de sequência.

Whitehouse et al. (2001) reportaram que o XRCC1 interage com a polinucleotídeo quinase humana (PNK; 605610), além de suas interações com os polímeros de DNA beta (POLB; 174760) e DNA ligase III (LIG3; 600940). Além disso, estas 4 proteínas são coassociadas em complexos multiprotéicos no extracto de células humanas e, em conjunto, reparam quebras de uma só linha típicas das induzidas por espécies reactivas de oxigénio e radiação ionizante. De forma impressionante, o XRCC1 estimula as atividades da cinase do DNA e da fosfatase do DNA do PNK nos terminais de DNA danificados, acelerando assim a reação de reparo geral. Estes dados identificaram um novo caminho para a reparação da ruptura de uma única corda em mamíferos e demonstraram um papel concertado para o XRCC1 e PNK na etapa inicial do processamento das extremidades de ADN danificadas. In vitro, Sano et al. (2004) demonstraram que a forma longa de aprataxina (APTX; 606350), mas não a forma curta, interage com o domínio terminal C do XRCC1, sugerindo que a aprataxina pode estar envolvida no complexo de reparo.

Bhattacharyya e Banerjee (2001) descobriram que o XRCC1 interage com um POLB truncado que é expresso em tumores colorretais primários e de mama e inibe a função reparadora normal do POLB do tipo selvagem. Eles determinaram que a interação da variante POLB e XRCC1 é necessária para o efeito inibitório dominante.

Loizou et al. (2004) mostraram que a caseína quinase II (CK2; ver 115440) fosforilatos XRCC1 e assim permite a montagem e atividade de complexos proteicos de reparo de quebra de DNA de cadeia única in vitro e em locais de quebra cromossômica. A inibição da fosforilação do XRCC1 através da mutação dos sítios de fosforilação CK2 ou da prevenção da actividade do CK2 utilizando um inibidor altamente específico abalou a rápida reparação das quebras de uma só corda de ADN celular pelo XRCC1. Esses dados identificaram um papel direto do CK2 no reparo das quebras de DNA cromossômico e na manutenção da integridade genética.

Luo et al. (2004) forneceram dados bioquímicos para demonstrar que 2 complexos proteicos XRCC1 pré-formados existem na ciclagem de células de HeLa. Um complexo contém enzimas conhecidas que são importantes para o reparo de quebra de uma única corda, incluindo LIG3, PNK e POLB; o outro é um novo complexo que contém LIG3 e aprataxina. Luo et al. (2004) relataram a caracterização do novo complexo XRCC1. XRCC1 é fosforilado in vivo e in vitro por CK2, e CK2 fosforilação de XRCC1 no ser518, thr519, e thr523 determina em grande parte a ligação de aprataxina ao XRCC1 através do seu domínio FHA. Uma perda aguda de aprataxina por pequenos RNA interferentes torna as células de HeLa sensíveis ao tratamento com metil metanossulfonato por um mecanismo de redução da meia-vida do XRCC1. Assim, Luo et al. (2004) concluíram que a aprataxina desempenha um papel para manter o nível estável de proteína do XRCC1. Luo et al. (2004) concluíram que, coletivamente, seus dados fornecem insights sobre a máquina molecular de reparo de quebra de uma única corda na célula e apontam o envolvimento da aprataxina neste processo, ligando assim o reparo de quebra de uma única corda à apraxia ataxia-oculomotora da doença neurológica (208920).

Usando fibroblastos humanos primários, Moser et al. (2007) mostraram que XRCC1 e LIG3 eram componentes essenciais do reparo da excisão de nucleotídeos (NER). Desregulamentação da remoção de lesões induzidas por raios UV e reentrada de nicks induzidos por raios UV no DNA cromossômico. Além disso, o XRCC1-LIG3 e os polimerase-delta (ver POLD1; 174761) interagiram e colocaram-se com os componentes NER de uma forma específica de UV ao longo da interfase. Em contraste, o recrutamento de LIG1 (126391) e polimerase-epsilon (POLE; 174762) para locais irradiados pelos raios UV só foi observado em células em proliferação. Moser et al. (2007) concluíram que as ligas de DNA e as polimerases são recrutadas diferencialmente para o reparo do DNA mediado por NER durante o ciclo celular.

Gao et al. (2011) relataram que a DNA ligase III é essencial para a integridade do DNA mitocondrial mas dispensável para o reparo do DNA nuclear. A inativação da ligase III no sistema nervoso do rato resultou em perda de mtDNA levando a disfunção mitocondrial profunda, interrupção da homeostase celular e ataxia incapacitante. Da mesma forma, a inativação da ligase III no músculo cardíaco resultou em disfunção mitocondrial e função defeituosa da circulação extracorpórea, levando à insuficiência cardíaca. Entretanto, a inativação da ligase III não resultou em deficiência de reparo do DNA nuclear, indicando que funções essenciais de reparo do DNA Xrcc1 podem ocorrer na ausência da ligase III. Ao invés disso, Gao et al. (2011) descobriram que a ligase I era crítica para a reparação do ADN, mas agiu de forma cooperativa com a ligase III. Além disso, a deficiência de ligase III não recapitulava as características marcantes da inativação neural do Xrcc1, como a perda interneuronal cerebelar induzida por danos no DNA, ressaltando ainda mais a separação funcional desses fatores de reparo do DNA. Portanto, Gao et al. (2011) concluíram que o papel biológico da ligase III é manter a integridade do mtDNA e não a reparação do ADN dependente do XRCC1.

Simsek et al. (2011) demonstraram um papel crucial da ligase III do ADN nas mitocôndrias mas não no reparo dependente do XRCC1. Simsek et al. (2011) utilizaram a complementação preventiva para determinar a necessidade de viabilidade das células Lig3in de mamíferos e a sua necessidade na reparação do ADN. Várias formas de Lig3 foram introduzidas de forma estável nas células estaminais embrionárias de camundongos contendo um alelo condicional de Lig3 que poderia ser eliminado com a recombinase de Cre. Com esta abordagem, Gao et al. (2011) descobriram que o Lig3 mitocondrial, mas não nuclear, é necessário para a viabilidade celular. Embora a função catalítica do Lig3 seja necessária, o dedo de zinco e os domínios relacionados ao BRAC1 C-terminal do Lig3 não o são. Notavelmente, o requisito de viabilidade do Lig3 pode ser contornado ao visar o Lig1 para as mitocôndrias ou ao expressar a ligase de DNA do vírus da Chlorella, a enzima de nick-sealing eukaryal mínima, ou Escherichia coli LigA, uma ligase dependente do NAD(+)- ligase. As células lig3-nulas não eram sensíveis a vários agentes nocivos ao DNA que sensibilizam as células com deficiência de Xrcc1. Simsek et al. (2011) concluíram que seus resultados estabeleceram um papel para Lig3 nas mitocôndrias, mas distinguiram-na de sua proteína XRCC1 em interação.

Lamerdin et al. (1995) caracterizaram a estrutura genómica do XRCC1 em humanos e ratos. O gene humano tem 17 exons e abrange aproximadamente 31,9 kb.

O primeiro gene complementar de reparação de raios X (XRCC1) foi mapeado para 19qcen-19q13.3 com base na perda de marcadores 19p, retenção de marcadores proximais 19q, e perda de marcadores mais distais 19q (Siciliano et al., 1987). Pela análise Sul de DNAs de um painel híbrido usando sondas para os 3 genes reparadores de DNA localizados no cromossomo 19, Thompson et al. (1989) concluíram que ERCC2 (126340) é distal ao XRCC1 e na mesma região, nomeadamente 19q13.2-q13.3, como ERCC1 (126380), mas em diferentes fragmentos de macrorestricção MluI. Experimentos similares usando um painel de clones híbridos contendo cromossomos de hamsters chineses segregados mostraram que os homólogos dos 3 genes reparadores do hamster fazem parte de um grupo de ligação altamente conservado no cromossomo 9 do hamster chinês. A hemizigosidade do cromossoma hamster 9 em células CHO pode explicar a alta frequência com que mutações geneticamente recessivas são recuperadas nestes 3 genes em células CHO. Por hibridização in situ fluorescente, Trask et al. (1993) atribuíram o gene XRCC1 a 19q13.2.

Em uma mulher de 47 anos de ascendência indiana oriental com ataxia autossômica recessiva espinocerebelar-26 (SCAR26; 617633), Hoch et al. (2017) identificaram mutações heterozigotas compostas no gene XRCC1 (194360.0001 e 194360.0002). As mutações, que foram encontradas pelo sequenciamento exoma e confirmadas pelo sequenciamento Sanger, demonstraram resultar em uma diminuição significativa dos níveis de proteína, consistente com uma perda de função. As células doentes e as células XRCC1-nulas mostraram níveis elevados de proteína ADP-ribosilação resultante do aumento da actividade PARP1 (173870). Estas alterações celulares foram semelhantes às observadas em pacientes com mutações no PNKP do parceiro XRCC1 (605610) que apresentam apraxia-oculomotora-4 (AOA4; 616267), que tem características sobrepostas. Os resultados identificaram o aumento dos níveis de ADP-ribose como um biomarcador da hiperactividade PARP1 e como uma causa de ataxia cerebelar induzida por quebras não reparadas de ADN de uma só cadeia resultantes da perda de XRCC1. Estudos em camundongos com deleção Xrcc1 específica do cérebro (ver MODELO ANIMAL) mostraram que a deleção de Parp1 abalou os níveis anormalmente aumentados de ADP-ribose, aumentou a densidade neuronal no cerebelo, e melhorou o desempenho motor mesmo sem um efeito no reparo de quebras de uma única corda. Hoch et al. (2017) sugeriram que o PARP1 pode ser um alvo de drogas para tratar ataxias cerebelares associadas à quebra de DNA de uma única corda não reparada.

Hoch et al. (2017) notaram que a eliminação da linha germinal do Xrcc1 em camundongos é letal no embrião. Ratos com deleção condicional do gene Xrcc1 no cérebro mostraram ataxia cerebelar com aumento da apoptose de neurônios granulares cerebelares, redução do número de interneurônios cerebelares, e diminuição da atividade eletrofisiológica das células de Purkinje. Essas alterações foram associadas ao aumento dos níveis de ADP-ribose cerebelar e à hiper-ativação de Parp1. A eliminação de Parp1 abalou o nível elevado de ADP-ribose, aumentou a densidade neuronal no cerebelo e melhorou o desempenho motor mesmo sem um efeito no reparo de ruptura de uma única corda. Os dados demonstraram que, na ausência do reparo de quebra de uma só corda dependente de Xrcc1, Parp1 é hiper-ativado, resultando na perda e/ou disfunção dos neurônios cerebelares.