Wissenschaftler des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) haben Mechanismen aufgedeckt, die der Aktivierung des MRN-Komplexes zugrunde liegen – der DNA-Schere der Zelle. Unter Verwendung gereinigter Hefeproteine zeigten sie, dass die Phosphorylierung von Ctp1, einem Homolog eines Tumorsuppressorproteins, eine Schlüsselrolle bei der Aktivierung der DNA-Clipping-Aktivität des MRN-Komplexes spielt. Interessanterweise könnte ein kurzes Segment von Hefe-Ctp1 oder seinem menschlichen Gegenstück die Endonukleaseaktivität ihrer jeweiligen MRN-Komplexe stimulieren, was auf eine konservierte Funktion über Arten hinweg hindeutet.
DNA fungiert als Fahrplan, der die Identität und Funktionen von Zellen leitet. Ein Fehler in der DNA kann schwerwiegende schädliche Auswirkungen haben, die zu einer Fehlfunktion oder zum Verlust wichtiger Proteine führen und somit die normale Zellfunktion und -lebensfähigkeit beeinträchtigen. Diese Störungen manifestieren sich oft als doppelsträngige Brüche in der DNA, die spontan oder durch den Kontakt mit bestimmten Chemikalien auftreten können. Um mit diesen Knicken fertig zu werden, haben Zellen eine DNA-Reparaturmaschinerie entwickelt, die Brüche in der DNA scannt, identifiziert und repariert, indem sie die Lücken ligiert. DNA-Brüche haben jedoch oft „schmutzige Enden“, die nicht direkt ligiert oder versiegelt werden können, da sie nicht exponiert oder durch bestimmte Proteine oder unregelmäßige chemische Strukturen blockiert sind. Solche DNA-Enden müssen daher zunächst gekürzt und befreit werden, damit sie weiterverarbeitet werden können. Darüber hinaus ist eine solche Endresektion von DNA-Bruchenden Voraussetzung dafür, dass sie durch homologe Rekombination genau repariert werden können. Unter solchen molekularen Scheren oder Nukleaseenzymen spielt Mre11 eine Schlüsselrolle.
Mre11 schließt sich mit den Proteinen Rad50 und Nbs1 zusammen, um gemeinsam den „MRN“-Komplex zu bilden. Es wurde gezeigt, dass die Wechselwirkung dieses Komplexes mit dem Tumorsuppressorprotein CtIP beim Menschen die DNA-Clipping-Funktion des Komplexes auslöst. Die Mechanismen, die dieser Wechselwirkung zugrunde liegen, blieben jedoch bisher unerforscht.
Jetzt haben Assistenzprofessor Hideo Tsubouchi und Professor Hiroshi Iwasaki vom Tokyo Institute of Technology und ihr Team die schrittweise Interaktion und Aktivierung des MRN-Komplexes mithilfe von Ctp1-Proteinen in Hefe entschlüsselt, die homolog zum menschlichen CtIP sind. In Bezug auf ihre Ergebnisse, die kürzlich in PNAS veröffentlicht wurden, sagt Iwasaki: „Der MRN-Komplex ist entscheidend für die durch homologe Rekombination vermittelte Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen. Um besser zu verstehen, wie CtIP die Aktivität des MRN-Komplexes beeinflusst, haben wir Hefeproteine gereinigt und ihre Wechselwirkungen quantifiziert."
Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die Phosphorylierung oder das Anfügen von Phosphatgruppen an Ctp1 der entscheidende erste Schritt zur Aktivierung des MRN-Komplexes war. Genauer gesagt ermöglichte die Phosphorylierung die physikalische Wechselwirkung von Ctp1 mit dem Nbs1-Protein des Komplexes, was für die anschließende Endonuklease-Stimulation von entscheidender Bedeutung war. Die DNA-Clipping-Aktivität war extrem gering, wenn der MRN-Komplex mit unphosphoryliertem Ctp1 gemischt wurde.
Darüber hinaus identifizierten die Wissenschaftler einen kurzen Abschnitt von lediglich 15 Aminosäuren an der C-terminalen Region von Ctp1, der für die Endonuklease-Aktivität der Ctp1-stimulierten MRN unerlässlich war. Darüber hinaus war ein synthetisches Peptid, das diese Region von Ctp1 oder CtIP nachahmt, in der Lage, den Hefe- bzw. menschlichen MRN-Komplex zu aktivieren, was darauf hindeutet, dass die Funktion des C-terminalen Ctp1 wahrscheinlich über Arten hinweg konserviert ist und die ultimative Determinante bei der MRN-Aktivierung ist.
Aufgeregt über die voraussichtliche Anwendung ihrer Ergebnisse bemerkt Tsubouchi: „Die Modifikation des CT15-Peptids kann einen starken Aktivator oder potenziellen Inhibitor des MRN-Komplexes ergeben. Das Targeting dieser Endonukleaseaktivität kann potenziell nützliche Anwendungen in der homologen Rekombination haben Gen-Editierung."
Mit schnellen Fortschritten in rekombinanter DNA und Molekularmedizin könnten diese Erkenntnisse Genetiker in die Lage versetzen, die Geheimnisse des Genoms zu lüften und die verborgenen Feinheiten genetischer Störungen in den kommenden Tagen einfacher und effektiver zu identifizieren.
