Réparation par excision de base - Base excision repair
La réparation par excision de base ( BER ) est un mécanisme cellulaire, étudié dans les domaines de la biochimie et de la génétique , qui répare l'ADN endommagé tout au long du cycle cellulaire. Il est principalement responsable de l'élimination des petites lésions de la base ne déformant pas l'hélice du génome. La voie de réparation par excision de nucléotides associée répare les lésions volumineuses déformant l'hélice. Le BER est important pour éliminer les bases endommagées qui pourraient autrement provoquer des mutations par mauvais appariement ou conduire à des ruptures dans l'ADN pendant la réplication. Le BER est initié par les ADN glycosylases , qui reconnaissent et éliminent des bases spécifiques endommagées ou inappropriées, formant des sites AP . Ceux-ci sont ensuite clivés par une endonucléase AP . La cassure monocaténaire résultante peut ensuite être traitée soit par un patch court (où un seul nucléotide est remplacé) soit par un BER à patch long (où 2 à 10 nouveaux nucléotides sont synthétisés).
Lésions traitées par BER
Les bases simples de l'ADN peuvent être endommagées chimiquement par divers mécanismes, les plus courants étant la désamination, l'oxydation et l'alkylation. Ces modifications peuvent affecter la capacité de la base à créer des liaisons hydrogène, entraînant un appariement incorrect des bases et, par conséquent, des mutations dans l'ADN. Par exemple, l'incorporation d' adénine en face de la 8-oxoguanine (à droite) pendant la réplication de l'ADN provoque la mutation d'une paire de bases G:C en T:A. D'autres exemples de lésions de la base réparées par BER comprennent :
- Bases oxydées : 8-oxoguanine , 2,6-diamino-4-hydroxy-5-formamidopyrimidine (FapyG, FapyA)
- Bases alkylées : 3-méthyladénine , 7-méthylguanosine
- Bases désaminées : hypoxanthine formée à partir de la désamination de l' adénine . Xanthine formée à partir de la désamination de la guanine. (Les produits de thymidine après la désamination de la 5-méthylcytosine sont plus difficiles à reconnaître, mais peuvent être réparés par des glycosylases spécifiques aux mésappariements)
- Uracil incorporé de manière inappropriée dans l'ADN ou formé par désamination de la cytosine
En plus des lésions de la base, les étapes en aval du BER sont également utilisées pour réparer les cassures simple brin.
Le choix entre la réparation en patch long et en patch court
Le choix entre réparation courte et longue durée est actuellement à l'étude. On pense que divers facteurs influencent cette décision, notamment le type de lésion, le stade du cycle cellulaire et si la cellule est en phase terminale ou en division active. Certaines lésions, telles que les sites AP oxydés ou réduits, sont résistantes à l'activité pol β lyase et, par conséquent, doivent être traitées par BER à patch long.
La préférence de voie peut également différer entre les organismes. Alors que les cellules humaines utilisent à la fois le BER à patch court et à patch long, la levure Saccharomyces cerevisiae a longtemps été considérée comme dépourvue de voie à patch court car elle n'a pas d'homologues de plusieurs protéines à patch court de mammifère, y compris pol β, DNA ligase III, XRCC1 , et le domaine kinase de PNKP . La découverte récente que la poly-A polymérase Trf4 possède une activité 5' dRP lyase a remis en cause ce point de vue.
Protéines impliquées dans la réparation par excision des bases
ADN glycosylases
Les ADN glycosylases sont responsables de la reconnaissance initiale de la lésion. Ils renversent la base endommagée de la double hélice, comme illustré, et cliver la liaison N-glycosidique de la base endommagée, ce qui laisse un site AP . Il existe deux catégories de glycosylases : monofonctionnelles et bifonctionnelles. Les glycosylases monofonctionnelles n'ont qu'une activité glycosylase, tandis que les glycosylases bifonctionnelles possèdent également une activité AP lyase . Par conséquent, les glycosylases bifonctionnelles peuvent convertir une lésion de base en une cassure simple brin sans avoir besoin d'une endonucléase AP . La -élimination d'un site AP par une glycosylase-lyase donne un aldéhyde 3' α,β-insaturé adjacent à un 5' phosphate, qui diffère du produit de clivage de l'endonucléase AP. Certaines glycosylases-lyases peuvent en outre effectuer une -élimination, qui convertit l'aldéhyde 3' en phosphate 3'. Une grande variété de glycosylases a évolué pour reconnaître différentes bases endommagées. Des exemples d'ADN glycosylases comprennent Ogg1 , qui reconnaît la 8-oxoguanine, Mag1 , qui reconnaît la 3-méthyladénine et UNG , qui élimine l' uracile de l'ADN.
Endonucléases AP
Les endonucléases AP clivent un site AP pour donner un hydroxyle 3' adjacent à un désoxyribosephosphate 5' (dRP). Les endonucléases AP sont divisées en deux familles sur la base de leur homologie avec les endonucléases AP bactériennes ancestrales endonucléase IV et exonucléase III . De nombreux eucaryotes ont des membres des deux familles, y compris la levure Saccharomyces cerevisiae , dans laquelle Apn1 est l'homologue d' EndoIV et Apn2 est apparenté à ExoIII. Chez l'homme, deux endonucléases AP, APE1 et APE2 , ont été identifiées. Il fait partie de la famille ExoIII.
Enzymes de traitement final
Pour que la ligature se produise, une rupture de brin d'ADN doit avoir un hydroxyle à son extrémité 3' et un phosphate à son extrémité 5' . Chez l'homme, la polynucléotide kinase-phosphatase ( PNKP ) favorise la formation de ces extrémités au cours du BER. Cette protéine a un domaine kinase, qui phosphoryle les extrémités 5' hydroxyle, et un domaine phosphatase, qui élimine les phosphates des extrémités 3'. Ensemble, ces activités préparent les cassures simple brin avec des extrémités endommagées pour la ligature. Les endonucléases AP participent également au traitement de l'extrémité 3'. Outre l'ouverture des sites AP, ils possèdent une activité 3' phosphodiestérase et peuvent éliminer une variété de lésions 3', notamment les phosphates, les phosphoglycolates et les aldéhydes. Le traitement en 3' doit avoir lieu avant que la synthèse d'ADN puisse s'initier car les ADN polymérases nécessitent un hydroxyle en 3' pour s'étendre.
ADN polymérases
Pol β est la principale polymérase humaine qui catalyse le BER à patch court, avec pol λ capable de compenser en son absence. Ces polymérases sont membres de la famille Pol X et n'insèrent généralement qu'un seul nucléotide. En plus de l'activité polymérase, ces enzymes ont un domaine lyase qui élimine la dRP 5' laissée par le clivage de l'endonucléase AP. Au cours du BER à patch long, on pense que la synthèse de l'ADN est médiée par pol δ et pol ainsi que par le facteur de processivité PCNA , les mêmes polymérases qui effectuent la réplication de l'ADN . Ces polymérases effectuent une synthèse par déplacement, ce qui signifie que l'extrémité d'ADN 5' en aval est "déplacée" pour former un volet (voir le schéma ci-dessus). Pol β peut également effectuer une synthèse à déplacement de patch long et peut donc participer à l'une ou l'autre voie BER. La synthèse en patch long insère généralement 2 à 10 nouveaux nucléotides.
Endonucléase du lambeau
FEN1 supprime le volet de 5' généré lors d'un long patch BER. Cette endonucléase montre une forte préférence pour un long lambeau 5' adjacent à un lambeau 1-nt 3'. L'homologue de levure de FEN1 est RAD27 . En plus de son rôle dans le BER à patch long, FEN1 clive les volets avec une structure similaire pendant le traitement des fragments d'Okazaki , une étape importante dans la réplication de l'ADN à brins en retard .
ADN ligase
L'ADN ligase III avec son cofacteur XRCC1 catalyse l'étape de scellement des coupures dans le BER à patch court chez l'homme. L'ADN ligase I ligature la cassure du BER à patch long.
Liens avec le cancer
Des défauts dans une variété de voies de réparation de l'ADN conduisent à une prédisposition au cancer, et le BER semble suivre ce schéma. Il a été démontré que les mutations de délétion dans les gènes BER entraînent un taux de mutation plus élevé dans une variété d'organismes, ce qui implique que la perte de BER pourrait contribuer au développement du cancer. En effet, des mutations somatiques dans Pol β ont été trouvées dans 30% des cancers humains, et certaines de ces mutations conduisent à une transformation lorsqu'elles sont exprimées dans des cellules de souris. Des mutations dans l'ADN glycosylase MYH sont également connues pour augmenter la susceptibilité au cancer du côlon .
Déficits épigénétiques dans les cancers
Les altérations épigénétiques (épimutations) des gènes de réparation par excision de bases n'ont commencé à être évaluées que récemment dans quelques cancers, par rapport aux nombreuses études précédentes sur les épimutations de gènes agissant dans d'autres voies de réparation de l'ADN (telles que MLH1 dans la réparation des mésappariements et MGMT dans l'inversion directe ). Quelques exemples d'épimutations dans les gènes de réparation par excision de bases qui se produisent dans les cancers sont résumés ci-dessous.
MBD4
MBD4 (methyl-CpG-binding domain protein 4) est une glycosylase employée dans une étape initiale de réparation par excision de base. La protéine MBD4 se lie préférentiellement aux sites CpG entièrement méthylés et aux bases d'ADN altérées sur ces sites. Ces bases altérées résultent de l'hydrolyse fréquente de la cytosine en uracile (voir image) et de l'hydrolyse de la 5-méthylcytosine en thymine, produisant des paires de bases G:U et G:T. Si les uraciles ou thymines inappropriés dans ces paires de bases ne sont pas éliminés avant la réplication de l'ADN, ils provoqueront des mutations de transition . MBD4 catalyse spécifiquement l'élimination de T et U associés à la guanine (G) dans les sites CpG. Il s'agit d'une fonction de réparation importante car environ 1/3 de toutes les mutations intragéniques d'une seule paire de bases dans les cancers humains se produisent dans les dinucléotides CpG et sont le résultat de transitions G:C à A:T. Ces transitions comprennent les mutations les plus fréquentes dans le cancer humain. Par exemple, près de 50 % des mutations somatiques du gène suppresseur de tumeur p53 dans le cancer colorectal sont des transitions G:C à A:T au sein des sites CpG. Ainsi, une diminution de l'expression de MBD4 pourrait entraîner une augmentation des mutations cancérigènes .
L'expression de MBD4 est réduite dans presque tous les néoplasmes colorectaux en raison de la méthylation de la région promotrice de MBD4. Aussi MBD4 est déficient en raison d'une mutation dans environ 4% des cancers colorectaux.
Une majorité de champs histologiquement normaux entourant les croissances néoplasiques (adénomes et cancers du côlon) dans le côlon présentent également une expression réduite de l'ARNm MBD4 (un défaut de champ ) par rapport aux tissus histologiquement normaux d'individus qui n'ont jamais eu de néoplasme colique. Cette constatation suggère que épigénétique silençage de MBD4 est une première étape dans colorectal cancérogenèse .
Dans une population chinoise qui a été évaluée, le polymorphisme MBD4 Glu346Lys était associé à un risque réduit d'environ 50 % de cancer du col de l'utérus, ce qui suggère que les altérations de MBD4 peuvent être importantes dans le cancer.
NEIL1
NEIL1 reconnaît (cible) et élimine certaines bases endommagées par l' oxydation puis incise le site abasique par élimination β,δ, laissant les extrémités phosphate 3′ et 5′. NEIL1 reconnaît les pyrimidines oxydées , les formamidopyrimidines, les résidus de thymine oxydés au niveau du groupe méthyle et les deux stéréoisomères de la thymine glycol . Les meilleurs substrats pour NEIL1 humain semblent être les lésions d' hydantoïne , la guanidinohydantoïne et la spiroiminodihydantoïne qui sont d'autres produits d'oxydation du 8-oxoG . NEIL1 est également capable d'éliminer les lésions de l'ADN simple brin ainsi que des structures d'ADN en forme de bulle et de fourche. Une déficience en NEIL1 provoque une mutagenèse accrue sur le site d'une paire 8-oxo-Gua:C, la plupart des mutations étant des transversions G:C en T:A.
Une étude en 2004 a révélé que 46% des cancers gastriques primaires avaient une expression réduite de l' ARNm de NEIL1 , bien que le mécanisme de réduction ne soit pas connu. Cette étude a également révélé que 4% des cancers gastriques avaient des mutations dans NEIL1. Les auteurs ont suggéré qu'une faible activité de NEIL1 résultant d'une expression réduite et/ou d'une mutation dans NEIL1 était souvent impliquée dans la carcinogenèse gastrique.
Un criblage de 145 gènes de réparation de l'ADN pour la méthylation aberrante du promoteur a été effectué sur des tissus de carcinome épidermoïde de la tête et du cou (HNSCC) de 20 patients et à partir d'échantillons de muqueuse de la tête et du cou de 5 patients non cancéreux. Cet écran a montré que NEIL1, avec une hyperméthylation sensiblement accrue, avait la fréquence de méthylation la plus significativement différente. De plus, l'hyperméthylation correspondait à une diminution de l'expression de l'ARNm de NEIL1. D'autres travaux avec 135 tissus tumoraux et 38 tissus normaux ont également montré que 71% des échantillons de tissus HNSCC présentaient une méthylation élevée du promoteur NEIL1.
Lorsque 8 gènes de réparation de l'ADN ont été évalués dans des tumeurs du cancer du poumon non à petites cellules (NSCLC), 42 % étaient hyperméthylés dans la région du promoteur NEIL1. Il s'agissait de l'anomalie de réparation de l'ADN la plus fréquente parmi les 8 gènes de réparation de l'ADN testés. NEIL1 était également l'un des six gènes de réparation de l'ADN hyperméthylés dans leurs régions promotrices dans le cancer colorectal .
Liens avec la cognition
La méthylation et la déméthylation actives de l' ADN sont nécessaires au processus cognitif de formation et de maintien de la mémoire . Chez les rats, le conditionnement contextuel de la peur peut déclencher une mémoire à vie de l'événement avec un seul essai, et les changements de méthylation semblent être corrélés au déclenchement de souvenirs particulièrement durables. Avec le conditionnement contextuel de la peur , après 24 heures, l'ADN isolé de la région de l' hippocampe du cerveau du rat avait 2097 gènes différentiellement méthylés, avec une proportion déméthylée. Comme examiné par Bayraktar et Kreutz, la déméthylation de l'ADN dépend de la réparation par excision des bases (voir figure).
L'exercice physique a des effets bénéfiques bien établis sur l'apprentissage et la mémoire (voir Effets neurobiologiques de l'exercice physique ). Le BDNF est un régulateur particulièrement important de l'apprentissage et de la mémoire. Comme examiné par Fernandes et al., chez le rat, l'exercice améliore l' expression hippocampique du gène Bdnf , qui a un rôle essentiel dans la formation de la mémoire. L'expression améliorée de Bdnf se produit par la déméthylation de son promoteur d'îlot CpG à l' exon IV et la déméthylation dépend de la réparation par excision de la base (voir figure).
Baisse du BER avec l'âge
L'activité de l' ADN glycosylase qui élimine les bases méthylées dans les leucocytes humains diminue avec l'âge. La réduction de l'excision des bases méthylées de l'ADN suggère un déclin dépendant de l'âge de la 3-méthyladénine ADN glycosylase , une enzyme BER responsable de l'élimination des bases alkylées.
Les jeunes rats (âgés de 4 à 5 mois), mais pas les rats âgés (de 24 à 28 mois), ont la capacité d'induire l' ADN polymérase bêta et l' endonucléase AP en réponse aux dommages oxydatifs.
Voir également
- Réparation des mésappariements de l'ADN
- réparation de l'ADN
- Recombinaison homologue
- Jonction d'extrémités non homologues
- Réparation par excision de nucléotides
- Test de réactivation des cellules hôtes
Les références
Liens externes
- Base+Excision+Réparation à la National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH) des États-Unis