Mecanismos moleculares de acción de la proteína 53BP1 en la respuesta al daño en el ADN

Abstract

La respuesta al daño en el ADN (DDR) es un proceso con un componente epigenético subyacente. Las roturas de doble cadena (DSBs) del ADN están enriquecidas en ciertas modificaciones postraduccionales de histonas, reconocidas por algunas proteínas de reparación del ADN a través de sus dominios de unión a cromatina. Una de tales proteínas es 53BP1, la cual reconoce la marca epigenética H4K20me2 a través de su dominio Tudor en tándem. Curiosamente, esta marca está presente a lo largo de toda la cromatina incluso sin daño en el ADN. El “modelo clásico” propuesto hasta ahora postula que 53BP1 se recluta a las DSBs por interacción directa con H4K20me2 de forma específica y restringida al entorno de la lesión. Sin embargo, 53BP1 sigue reconociendo las lesiones incluso en ausencia de dicha marca epigenética o del dominio Tudor en tándem, si bien la proteína pierde su afinidad por la cromatina y el proceso es más ineficiente. Además, la función del dominio Tudor en tándem puede recuperarse por intercambio con otros dominios de unión genérica a cromatina no relacionados con la DDR. Esto nos lleva a proponer un nuevo modelo en el cual el reconocimiento de H4K20me2 por el dominio Tudor en tándem de 53BP1 posibilita que la proteína se mantenga constitutivamente unida a la cromatina incluso en ausencia de daño en el ADN, lo que facilita su reconocimiento de las lesiones cuando éstas tienen lugar. Por otra parte, nuestros estudios bioinformáticos revelan que la presencia de dominios de unión a cromatina es una propiedad recurrente en las proteínas de la DDR, lo que permite extender nuestro modelo a otras proteínas de la DDR, como mostramos para el caso de MSH6 con su dominio PWWP en la reparación de apareamientos erróneos del ADN (MMR). Finalmente, estudios más detallados sobre la proteína 53BP1 nos permitieron desvelar su capacidad in vitro para unirse directamente al ADN, interacción que podría contribuir al mecanismo de su reclutamiento a las DSBs. En un segundo proyecto, descubrimos que 53BP1 y otras proteínas de la DDR están presentes en el midbody, la estructura característica de citocinesis. Esta localización ocurre a lo largo de puentes cromosómicos de ADN mal segregado entre dos células hijas. Existe, por tanto, una DDR asociada a citocinesis a la que denominamos “DDR del midbody” (mDDR). Se identificó una nueva estructura citológica, los “puentes de 53BP1-RPA” (53RBs), como marcador de la activación de la mDDR, cuya frecuencia se ve incrementada en condiciones que generan estrés replicativo y, por lo tanto, problemas de segregación cromosómica. La mDDR depende de las kinasas mitóticas Aurora B y PLK1, y su función principal sería la de promover la resolución de los puentes cromosómicos a través de la activación de las endonucleasas de resolución (resolvasas) mitóticas MUS81 y GEN1, permitiendo así que se complete la abscisión citocinética con el mantenimiento de la integridad genómica.

The DNA damage response (DDR) is a process with an underlying epigenetic component. DNA double-strand breaks (DSBs) are enriched in a variety of histone postranslational modifications, recognized by some DNA repair proteins through their chromatin-binding domains. One of such proteins is 53BP1, which recognizes the epigenetic mark H4K20me2 via its tandem Tudor domain. Strikingly, this mark is present in a chromatin-wide fashion irrespective of DNA damage. The currently accepted ‘classic model’ postulates that 53BP1 is recruited to DSBs by direct interaction with H4K20me2 in a specific, lesion-confined manner. However, 53BP1 is still able to recognize lesions even in absence of such epigenetic mark or the tandem Tudor domain, though the protein loses its chromatin-affinity and the process is more inefficient. In addition, the function of the tandem Tudor domain can be recovered when interchanged with other non-DDR-related generic chromatin-binding domains. This leds us to propose a novel model wherein H4K20me2 recognition by 53BP1 tandem Tudor domain allows a constitutive chromatin-binding even in the absence of DNA damage, what facilitates lesion recognition when it takes place. Moreover, our bioinformatic studies reveal that the presence of chromatin-binding domains is a recurrent property in DDR proteins, what enables our model to be extended to other DDR proteins, as shown for the case of MSH6 with its PWWP domain in DNA mismatch repair (MMR). Finally, further studies on 53BP1 protein allowed us to unveil its in vitro ability to directly bind DNA, interaction that could contribute to its DSBrecruitment mechanism. In a second project, we discover that 53BP1 and other DDR proteins are present at the midbody, the hallmark structure of cytokinesis. This location occurs alongside chromosome bridges of missegregated DNA between two daughter cells. Therefore, there exists a cytokinesis-associated DDR that we termed ‘midbody DDR’ (mDDR). A new cytological structure, ‘53BP1-RPA bridges’ (53RBs), was identified as a marker of mDDR activation, whose frequency is increased in conditions which generate replication stress and, therefore, chromosome segregation problems. The mDDR depends on Aurora B and PLK1 mitotic protein kinases, and its main funcion would be to promote chromosome bridges resolution by means of the activation of the mitotic resolution endonucleases (resolvases) MUS81 and GEN1, thus ensuring the completion of cytokinetic abscission while maintaining genome integrity.