Cơ chế Homologous Recombination Repair (HRR)

Con đường sửa chữa tái tổ hợp tương đồng (Homologous recombinational repair – HRR) là con đường chính sửa chữa đứt gãy mạch đôi DNA (double-stranded breaks, DSBs) và liên kết chéo nội mạch (interstrand crosslinks, ICLs), ngoài ra nó có thể tham gia vào sửa chữa một số loại tổn thương DNA khác. HRR là cơ chế loại bỏ các tổn thương DNA mà không gây ra lỗi sai, tránh cho những tổn thương này được sao chép (trong phase S và G2). Do đó, đây là con đường quan trọng, hoạt động phối hợp với checkpoint S và G2 để loại bỏ các đứt gãy trong nhiễm sắc thể trước khi tế bào phân chia. Ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy sự thiếu hụt chức năng của các gene HRR có thể liên quan đến sự phát triển của khối u.

Cơ chế HRR là gì?

HRR là một trong những con đường chính để sửa chữa đứt gãy chuỗi kép DNA một cách chính xác. Nó sử dụng trình tự DNA tương đồng (homologous sequence) – thường từ nhiễm sắc tử chị em – để hướng dẫn quá trình sửa chữa.

Con đường sửa chữa tái tổ hợp tương đồng chịu trách nhiệm chính cho sự nguyên vẹn của DNA ở mức độ nhiễm sắc thể. Một điểm khác biệt giữa tế bào lưỡng bội bình thường và hầu hết tế bào ung thư là sự ổn định của nhiễm sắc thể, đặc điểm này giúp tế bào tránh khỏi sự tái sắp xếp nhiễm sắc thể như chuyển vị (translocation), xóa (deletion), lặp lại (duplication) và đảo ngược (inversion). Sự phát sinh của tế bào ung thư thường liên quan trực tiếp đến những bất thường này khi hệ thống sửa chữa đứt gãy mạch đôi DNA (DSB) thất bại hoặc như một hệ quả của sự khiếm khuyết trong việc kết hợp sửa chữa với điều chỉnh quá trình chu kỳ tế bào.

Động vật có xương sống sửa chữa DSB bằng cả hai con đường NHEJ (Non-homologous end joining) và HRR. Cho đến hiện tại, NHEJ vẫn được cho là cơ chế sửa chữa chính ở tế bào động vật có vú đối với DSB do bức xạ ion hóa (ionizing radiation-IR). Hiện nay, ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy DSB tạo ra trong quá trình sao chép DNA được sửa chữa hiệu quả bằng con đường HRR giữa các nhiễm sắc tử chị em. NHEJ và HRR đều tham gia vào ức chế quá trình hình thành khối u. Trong quá trình phát triển kiểu hình ác tính, tế bào tiền ung thư bị tổn hại HRR sẽ dựa vào NHEJ nhiều hơn trong pha S và G2 để loại bỏ DSB. Vì NHEJ là con đường sửa chữa không chính xác (error-prone) nên có thể tạo ra nhiều tái sắp xếp nhiễm sắc thể hơn như chuyển vị, mất và chèn các đoạn nhỏ.

Con đường tái tổ hợp trong sửa chữa DSB.

Tái tổ hợp tương đồng có thể chia thành 3 giai đoạn: presynapsis, synapsis và postsynapsis. Trong resynapsis, DSB được nhận diện và xử lý ở đuôi 3′-OH (step 1-2). Trong synapsis, RAD51-ssDNA xâm nhập vào mạch DNA tạo thành một D-loop (step 3). Có ít nhất 3 con đường được đề xuất sau giai đoạn trung gian D-loop. Trong con đường synthesis-dependent strand annealing (SDSA, step 4a-5a-6a), mạch xâm lấn tách ra sau khi tổng hợp DNA và nối với đầu còn lại của mạch bị gãy (second end), dẫn đến chuyển đổi cục bộ mà không có trao đổi chéo. Quá trình này có nhiều vòng xâm nhập, tổng hợp và tách rời. Trong con đường break-induced replication (BIR, step 4a-5b-6b), D-loop được gắn vào ngã ba sao chép và sao chép toàn bộ phần bị mất của nhiễm sắc thể dẫn đến bị mất đi tính dị hợp (loss-of heterozygosity, LOH). Trong con đường double-strand break repair (DSBR, step 4b-5c-6c-e-7), hai đầu của DSB được nối lại, hoặc bằng cách xâm nhập mach độc lập hoặc bằng cách bắt giữ đầu thứ cấp (second end capture) dẫn đến hình thành nối  Holliday kép. Nối Holliday được xử lý theo 2 cách, hoặc tạo thành sản phẩm trao đổi chéo hoặc không trao đổi chéo (step 6c và d), hoặc được xử lý bằng cơ chế di chuyển nhánh qua trung gian BLM (BLM-mediated branch migration) và xúc tác TOPOIIIα (TOPOIIIα-catalyzed) của hemi-catename (step 6e) chỉ tạo thành sản phẩm không có trao đổi chéo.

(https://www.nature.com/articles/cr20081/figures/1)

Các gene chính trong con đường HRR

Một số gene nổi bật và vai trò của chúng:

Các gene liên quan đến con đường sửa chữa tái tổ hợp tương đồng (HRR) đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì tính toàn vẹn của DNA. Dưới đây là danh sách hơn 20 gene HRR quan trọng:

• BRCA1, BRCA2

• ATM, ATR

• BARD1, BRIP1

• CDK12, CHEK1, CHEK2

• FANCA, FANCD2, FANCL

• PALB2

• RAD51, RAD51B, RAD51C, RAD51D, RAD54L

• MRE11A, NBN (NBS1)

• ARID1A, PPP2R2A

• MLH1

• FANCG, FANCE

• XRCC2, XRCC3

Những gene này tham gia vào quá trình nhận biết và sửa chữa các tổn thương DNA, đặc biệt là các đứt gãy sợi kép.

Sơ đồ con đường HRR

Sơ đồ đơn giản hóa của con đường sửa chữa tái tổ hợp tương đồng (HRR) minh họa các bước chính trong quá trình sửa chữa DNA:

1. Nhận biết tổn thương: Phức hợp MRN (MRE11-RAD50-NBS1) nhận biết các đứt gãy sợi kép (DSBs).

2. Kích hoạt phản ứng sửa chữa: Phức hợp MRN kích hoạt kinase ATM, khởi động phản ứng sửa chữa DNA.

3. Chuẩn bị cho tái tổ hợp: BRCA1 được thu hút đến các đầu DNA, thay thế 53BP1 và kích thích quá trình cắt đầu 5′ đến 3′ thông qua exonuclease, tạo ra các đoạn DNA sợi đơn (ssDNA) nhô ra.

4. Tái tổ hợp: RAD51, dưới sự kiểm soát của BRCA2, bao phủ các đoạn ssDNA, tạo thành nucleofilament RAD51. Nucleofilament này xâm nhập vào DNA chị em, dẫn đến hình thành cấu trúc D-loop và tiến hành sửa chữa DNA.

Con đường sửa chữa tái tổ hợp tương đồng (Biorender)

Quá trình sửa chữa bắt đầu tại vị trí DSB thông qua việc thu hút các protein phosphoryl hóa ATM như BRCA 1 đối với con đường HRR, hoặc 53BP1 đối với con đường NHEJ. Trong con đường HRR, BRCA1 được BRCA2 và PALB2 kích hoạt cho phép chuyển đổi DSB thành DNA mạch đơn tại vị trí lai với protein RPA. Qúa trình này có sự tham gia của phức hợp MRN. Sau đó, RAD51 sẽ thay thế protein RPA gắn vào DNA mạch đơn để tìm kiếm trình tự tương đồng và liên kết vào mạch xâm lấn. Cuối cùng là tổng hợp DNA, nối và giải quyết các mối nối Holliday. IR: ionizing radiation, CT: chemotherapy, DSBs: double-strand breaks, NHEJ: non-homologous end joining, DNA deoxyribonucleic acid.

Ý nghĩa lâm sàng của đột biến HRR

• Ung thư có đột biến HRR thường có đặc điểm bất ổn gen cao (genomic instability).

• Những bệnh nhân mang đột biến HRR, đặc biệt là BRCA1/2, có thể nhạy cảm với thuốc ức chế PARP (PARP inhibitors) như:

  • Olaparib

  • Rucaparib

  • Niraparib

• HRR deficiency (HRD) là một chỉ dấu quan trọng trong cá thể hóa điều trị ung thư:

  • Ung thư buồng trứng

  • Ung thư vú tam âm (TNBC)

  • Ung thư tuyến tụy

  • Ung thư tuyến tiền liệt

Xét nghiệm phát hiện đột biến HRR

• Germline testing: kiểm tra di truyền (thường qua máu, nước bọt) – ví dụ BRCA1/2.

• Somatic testing: trên mô ung thư.

• HRD score: một chỉ số tổng hợp đo mức độ thiếu hụt sửa chữa HRR, có thể dự đoán hiệu quả điều trị bằng PARPi.

Hướng dẫn điều trị ung thư theo đột biến HRR (NCCN & ESMO)

Các hướng dẫn điều trị từ NCCN và ESMO nhấn mạnh tầm quan trọng của việc xác định tình trạng HRR trong việc lựa chọn liệu pháp điều trị:

• Ung thư buồng trứng: Bệnh nhân có đột biến BRCA1/2 hoặc thiếu hụt HRR (HRD) có thể được điều trị bằng thuốc ức chế PARP như olaparib.

• Ung thư vú: Bệnh nhân ung thư vú tam âm (TNBC) với đột biến BRCA có thể hưởng lợi từ liệu pháp PARP.

• Ung thư tuyến tiền liệt: Bệnh nhân ung thư tuyến tiền liệt di căn kháng thiến (mCRPC) với đột biến HRR có thể được điều trị bằng olaparib.

• Ung thư tuyến tụy: Bệnh nhân có đột biến BRCA có thể được điều trị bằng olaparib sau hóa trị liệu dựa trên platinum.