Mechanisms of repair and stability maintenance of ribosomal DNA and other repetitive sequences

Abstract

Almost half of the human genome consists of repetitive sequences that influence transcription, replication, and repair mechanisms, impacting genomic integrity and cellular homeostasis. Analysis of repetitive DNA sequences has revealed that their structural characteristics make them prone to replication defects, leading to double-stranded breaks and recombination events. The greatest threat arises from conflicts between replication and transcription. A key strategy for protecting repetitive DNA regions is transcriptional silencing, mediated by various epigenetic mechanisms such as DNA methylation and histone modifications. Structural changes in repetitive DNA significantly affect replication timing dynamics and DNA repair strategies. Ribosomal DNA, among other repetitive sequences, is unique as it encodes ribosomal RNA, an indispensable component of ribosomes-the cellular factories essential for protein production and cellular function. Consequently, specific mechanisms have evolved to maintain the functionality and integrity of this region. In organisms such as Saccharomyces cerevisiae and Drosophila melanogaster, mechanisms capable of controlling and even restoring the copy number of rDNA genes have been described. Additionally, systems that prevent collisions between replication and transcription...

Téměř polovina lidského genomu se skládá z repetitivních sekvencí, které ovlivňují a modulují transkripci, replikaci a opravné mechanismy, a tím ovlivňují integritu genomu a buněčnou homeostázu. Analýza repetitivních DNA sekvencí ukázala, že jejich strukturální charakteristiky je činí náchylnými k defektům při replikaci, což vede k dvouvláknovým zlomům a rekombinačním událostem. Největší hrozbu představují konflikty mezi replikací a transkripcí. Klíčovou strategií pro ochranu oblastí repetitivní DNA je transkripční umlčování, které je zprostředkováno různými epigenetickými mechanismy, jako je metylace DNA a modifikace histonů. Strukturální změny v repetitivní DNA výrazně ovlivňují dynamiku načasování replikace a strategie oprav DNA. Ribozomální DNA, podobně jako další repetitivní sekvence, je unikátní tím, že kóduje ribozomální RNA, nezbytnou složku ribozomů - buněčných továren nezbytných pro produkci proteinů a správnou funkci buněk. Z tohoto důvodu se vyvinuly specifické mechanismy k zachování funkčnosti a integrity této oblasti. U organismů, jako jsou Saccharomyces cerevisiae a Drosophila melanogaster, byly popsány mechanismy, které jsou schopné kontrolovat a dokonce obnovovat počet kopií genů rDNA. Dále byly identifikovány systémy, které zabraňují kolizím mezi replikací a transkripcí či...