Nối các đầu mút không tương đồng (Non-homologous end joining)

Cơ chế

NHEJ liên quan đến một loạt các protein hoạt động theo trình tự phối hợp để sửa chữa DSB. Quá trình này có thể được chia thành ba bước chính:

1. Nhận diện và liên kết: Đầu tiên, dị hợp thể Ku70/Ku80 nhận diện và liên kết với các đầu DNA bị gãy. Ku hoạt động như một “cảm biến” cho DSB và ngăn chặn sự phân hủy DNA thêm. Việc liên kết của Ku cũng tạo ra một nền tảng để các protein khác tham gia vào quá trình NHEJ tập hợp lại.
2. Xử lý đầu mút: Các đầu DNA bị gãy thường không thẳng và có thể cần được xử lý trước khi nối. Các enzyme khác nhau như Artemis, polynucleotide kinase phosphatase (PNKP), DNA polymerase $\mu$ và $\lambda$ tham gia vào việc xử lý đầu mút. Chúng loại bỏ các nucleotide bị hư hỏng, bổ sung các nucleotide bị thiếu hoặc thay đổi cấu trúc hóa học của đầu mút để chuẩn bị cho quá trình nối. Ví dụ, Artemis, một nuclease, có thể cắt bỏ các phần DNA bị hư hỏng, trong khi PNKP có thể phosphoryl hóa hoặc dephosphoryl hóa các đầu mút để tạo điều kiện cho quá trình nối.
3. Nối: DNA ligase IV, cùng với protein XRCC4, là enzyme chính chịu trách nhiệm nối các đầu DNA đã được xử lý. XRCC4 hoạt động như một đồng yếu tố, tăng cường hoạt động của DNA ligase IV. Phức hợp này xúc tác sự hình thành liên kết phosphodiester giữa các đầu DNA, hoàn tất quá trình sửa chữa.

Ưu điểm và nhược điểm

• Ưu điểm: NHEJ là một con đường sửa chữa nhanh chóng và hiệu quả, hoạt động trong suốt chu kỳ tế bào. Nó đặc biệt quan trọng trong các tế bào không phân chia, nơi HR không khả dụng. NHEJ cũng đơn giản hơn HR, yêu cầu ít protein hơn.
• Nhược điểm: NHEJ dễ bị lỗi. Việc xử lý đầu mút có thể dẫn đến mất hoặc thêm nucleotide tại vị trí đứt gãy, gây ra đột biến chèn hoặc xóa. Điều này có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng, bao gồm cả ung thư. Do đó, NHEJ được coi là một cơ chế sửa chữa “chấp vá nhanh”, ưu tiên tốc độ hơn độ chính xác.

Vai trò trong sinh học

NHEJ đóng một vai trò quan trọng trong việc duy trì sự ổn định của bộ gen. Nó cũng tham gia vào các quá trình sinh học khác như:

• Tái tổ hợp V(D)J: NHEJ là cơ chế chính để tái tổ hợp các đoạn gen V, D và J trong quá trình phát triển tế bào lympho, tạo ra sự đa dạng của kháng thể và thụ thể tế bào T. Quá trình này là điều cần thiết cho hệ thống miễn dịch thích nghi.
• Sự hình thành telomere: Trong một số trường hợp, NHEJ có thể tham gia vào việc duy trì chiều dài telomere, đặc biệt là trong các tế bào không có telomerase hoạt động.
• Sự tích hợp của một số loại virus DNA: Một số virus sử dụng NHEJ để tích hợp bộ gen của chúng vào bộ gen của vật chủ.

Bệnh lý liên quan

Các đột biến trong các gen mã hóa cho các protein NHEJ có thể dẫn đến một số bệnh lý, bao gồm các hội chứng suy giảm miễn dịch nghiêm trọng (như bệnh suy giảm miễn dịch kết hợp nặng – SCID) và tăng nguy cơ ung thư. Ví dụ, đột biến trong gen mã hóa cho protein Artemis có thể gây ra một dạng SCID đặc trưng bởi sự nhạy cảm tăng lên với bức xạ ion hóa.

Tóm lại, NHEJ là một cơ chế sửa chữa DSB thiết yếu, đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự ổn định của bộ gen. Mặc dù nhanh chóng và hiệu quả, NHEJ dễ bị lỗi và có thể góp phần vào sự phát triển ung thư. Việc hiểu rõ cơ chế và điều hòa của NHEJ là rất quan trọng để phát triển các chiến lược điều trị ung thư và các bệnh lý khác liên quan đến bất ổn định bộ gen.

Cơ chế chi tiết

NHEJ liên quan đến một loạt các protein hoạt động theo trình tự phối hợp để sửa chữa DSB:

1. Nhận diện và liên kết: Dị hợp thể Ku70/Ku80 nhanh chóng nhận diện và liên kết với các đầu DNA bị gãy, hoạt động như một “cảm biến” DSB và ngăn chặn sự phân hủy DNA thêm. Việc liên kết của Ku cũng tạo ra một nền tảng cho việc tập hợp các protein NHEJ khác. Cấu trúc hình vòng của Ku cho phép nó trượt lên DNA và bao quanh đầu mút DNA.
2. Xử lý đầu mút: Đây là một bước quan trọng và phức tạp. Các đầu DNA bị gãy thường không tương thích trực tiếp để nối. Các enzyme khác nhau tham gia vào việc xử lý đầu mút bao gồm:
   • Artemis: Một nuclease có thể cắt bỏ các phần DNA lồi ra hoặc bị hư hỏng. Artemis được kích hoạt bởi sự phosphoryl hóa bởi kinase phụ thuộc DNA protein (DNA-PKcs), một thành phần quan trọng khác của NHEJ.
   • Polynucleotide kinase phosphatase (PNKP): Xúc tác phosphoryl hóa đầu 5′ và dephosphoryl hóa đầu 3′ của DNA, chuẩn bị cho quá trình nối.
   • DNA polymerase $\mu$ và $\lambda$: Có thể bổ sung một số nucleotide bị thiếu ở đầu mút. Quá trình này được gọi là “vi tổng hợp” và có thể dẫn đến đột biến nhỏ. Các polymerase này có hoạt tính chuyển vị cuối cùng, cho phép chúng hoạt động trên các đầu mút DNA không chuẩn.
3. Synapsis: Sau khi xử lý đầu mút, các đầu DNA được đưa lại gần nhau để chuẩn bị cho quá trình nối. Cơ chế chính xác của synapsis vẫn chưa được hiểu rõ hoàn toàn, nhưng nó có thể liên quan đến các protein như XLF (XRCC4-like factor) và PAXX (PARP14-associated factor X), chúng tương tác với Ku và XRCC4 để ổn định phức hợp synapsis.
4. Nối: DNA ligase IV, cùng với protein XRCC4, tạo thành phức hợp chịu trách nhiệm nối các đầu DNA đã được xử lý. XRCC4 hoạt động như một đồng yếu tố, ổn định và tăng cường hoạt động của DNA ligase IV. DNA ligase IV xúc tác sự hình thành liên kết phosphodiester giữa đầu 3′-hydroxyl và đầu 5′-phosphate của hai đầu DNA.

Điều hòa NHEJ

Hoạt động của NHEJ được điều hòa chặt chẽ để đảm bảo sửa chữa DSB hiệu quả và tránh các lỗi không mong muốn. Một số yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của NHEJ bao gồm:

• Chu kỳ tế bào: NHEJ hoạt động trong suốt chu kỳ tế bào, nhưng hoạt động mạnh nhất trong pha G1, khi không có khuôn mẫu chị em nào khả dụng cho HR.
• Các yếu tố biểu sinh: Sự biến đổi histone và methyl hóa DNA có thể ảnh hưởng đến khả năng tiếp cận của các protein NHEJ đến vị trí DSB.
• Tương tác với các con đường sửa chữa DNA khác: NHEJ cạnh tranh với HR để sửa chữa DSB. Sự lựa chọn giữa NHEJ và HR phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm cả giai đoạn của chu kỳ tế bào và loại DSB. Ví dụ, DSB có đầu mút thẳng thường được sửa chữa bằng NHEJ, trong khi DSB có đầu mút so le thường được sửa chữa bằng HR.
• Các yếu tố gây stress: Stress oxy hóa và các yếu tố gây stress khác có thể ảnh hưởng đến hiệu quả và độ chính xác của NHEJ.

Ảnh hưởng của NHEJ đến sự ổn định bộ gen

Mặc dù NHEJ là một cơ chế sửa chữa DNA quan trọng, nhưng tính chất dễ bị lỗi của nó có thể dẫn đến đột biến và bất ổn định bộ gen. Các đột biến nhỏ do NHEJ gây ra có thể tích lũy theo thời gian và góp phần vào sự phát triển của ung thư và các bệnh lý khác. Sự mất cân bằng trong hoạt động NHEJ có thể dẫn đến tăng nhạy cảm với các tác nhân gây tổn thương DNA và tăng nguy cơ phát triển ung thư.

• Lieber, M. R. (2010). The mechanism of double-strand DNA break repair by the nonhomologous DNA end-joining pathway. Annual review of biochemistry, 79, 181-211.
• Symington, L. S., & Gautier, J. (2011). Double-strand DNA break end resection and repair pathway choice. Annual review of genetics, 45, 247-271.
• Chang, H. H. Y., Pannunzio, N. R., Adachi, N., & Lieber, M. R. (2017). Non-homologous DNA end joining and alternative pathways to double-strand break repair. Nature reviews Molecular cell biology, 18(8), 495-506.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài Ku70/Ku80, còn protein nào khác đóng vai trò quan trọng trong việc nhận diện DSB trong NHEJ?

Trả lời: Mặc dù Ku70/Ku80 là yếu tố nhận diện DSB chính, các protein khác như MRN complex (Mre11-Rad50-Nbs1) cũng đóng vai trò trong việc phát hiện DSB và khởi động quá trình xử lý đầu mút, đặc biệt là trong trường hợp các đầu DNA phức tạp. MRN complex cũng có thể tham gia vào việc lựa chọn con đường sửa chữa giữa NHEJ và HR.

Sự lựa chọn giữa NHEJ và HR được điều hòa như thế nào?

Trả lời: Sự lựa chọn giữa NHEJ và HR phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm giai đoạn của chu kỳ tế bào và cấu trúc của DSB. HR thường được ưa chuộng trong pha S và G2 khi có sẵn sister chromatid làm khuôn mẫu. Trong khi đó, NHEJ hoạt động trong suốt chu kỳ tế bào, đặc biệt là trong pha G1. Cấu trúc của DSB, chẳng hạn như sự hiện diện của các đầu DNA lồi ra, cũng có thể ảnh hưởng đến sự lựa chọn con đường sửa chữa.

NHEJ có vai trò gì trong việc phát triển ung thư?

Trả lời: Mặc dù NHEJ là cần thiết cho việc duy trì sự ổn định của bộ gen, nhưng bản chất dễ bị lỗi của nó có thể góp phần vào sự phát triển ung thư. Các đột biến do NHEJ gây ra có thể làm bất hoạt các gen ức chế khối u hoặc kích hoạt các gen gây ung thư. Ngoài ra, NHEJ có thể dẫn đến sự sắp xếp lại nhiễm sắc thể, một đặc điểm thường thấy trong tế bào ung thư.

Làm thế nào để các nhà nghiên cứu đang khai thác NHEJ cho mục đích điều trị?

Trả lời: Các nhà nghiên cứu đang khám phá các chiến lược để ức chế NHEJ trong tế bào ung thư, nhằm tăng cường hiệu quả của các liệu pháp gây ra DSB như xạ trị và hóa trị. Ngược lại, việc tăng cường NHEJ có thể có lợi trong việc điều trị các bệnh di truyền gây ra bởi các khiếm khuyết trong sửa chữa DNA.

Sự khác biệt chính giữa “canonical NHEJ” và “alternative NHEJ” là gì?

Trả lời: “Canonical NHEJ” liên quan đến việc nối trực tiếp các đầu DNA tương thích với ít hoặc không cần xử lý đầu mút. Trong khi đó, “alternative NHEJ” (còn được gọi là microhomology-mediated end joining hoặc MMEJ) sử dụng các vùng tương đồng ngắn (microhomology) ở hai bên của DSB để sắp thẳng các đầu DNA trước khi nối. MMEJ thường dẫn đến mất đoạn DNA lớn hơn so với canonical NHEJ.