HOME    |    BROWSE    |    SEARCH    |    SUBSCRIPTION   |    SUBMISSION    |    REGISTRATION

Quick Search:
Author: Title/Abstract: Vol./No: Page:
PTP Online Top > Supplement (2011) > No.191
| Next Article >

Prog. Theor. Phys. Supplement No.191 (2011) pp. 20-29

[ Full Text PDF : FREE ACCESS (291K) ]

How Broken DNA Finds Its Template for Repair: A Computational Approach

Lutz R. Gehlen, Susan M. Gasser* and Vincent Dion

Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research, Maulbeerstr. 66, 4058 Basel, Switzerland

(Received November 9, 2010)

Abstract:

Homologous recombination (HR) is the process by which a double-strand break in DNA is repaired using an identical donor template. Despite rapid progress in identifying the functions of the proteins that mediate HR, little is known about how broken DNA finds its homologous template. This process, coined homology search, has been difficult to monitor experimentally. Therefore, we present here a computational approach to model the effect of subnuclear positioning and chromatin dynamics on homology search. We found that, in our model, homology search occurs more efficiently if both the cut site and its template are at the nuclear periphery, whereas restricting the movement of the template or the break alone to the periphery markedly increases the time of the search. Immobilization of either component at any position slows down the search. Based on these results, we propose a new model for homology search, the facilitated random search model, which predicts that the search is random, but that nuclear organization and dynamics strongly influence its speed and efficiency.


URL : http://ptp.ipap.jp/link?PTPS/191/20/
DOI : 10.1143/PTPS.191.20


*E-mail: susan.gasser@fmi.ch

[ Full Text PDF : FREE ACCESS (291K) ] Citation:

References:

  1. T. Lindahl, Nature 362 (1993), 709.
  2. J. H. Hoeijmakers, Nature 411 (2001), 366.
  3. S. E. Lee, J. K. Moore, A. Holmes, K. Umezu, R. D. Kolodner and J. E. Haber, Cell 94 (1998), 399.
  4. C. Richardson and M. Jasin, Nature 405 (2000), 697.
  5. P. Wang, R. H. Zhou, Y. Zou, C. K. Jackson-Cook and L. F. Povirk, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94 (1997), 12018.
  6. J. D. Rowley, Nature 243 (1973), 290.
  7. F. Mitelman, B. Johansson and F. Mertens, Nat. Rev. Cancer 7 (2007), 233.
  8. M. E. Moynahan and M. Jasin, Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 11 (2010), 196.
  9. M. R. Lieber, Annu. Rev. Biochem. 79 (2010), 181.
  10. J. San Filippo, P. Sung and H. Klein, Annu. Rev. Biochem. 77 (2008), 229.
  11. A. Barzel and M. Kupiec, Nat. Rev. Genet. 9 (2008), 27.
  12. A. Weiner, N. Zauberman and A. Minsky, Nat. Rev. Microbiol. 7 (2009), 748.
  13. R. Holliday, Genetics Research 5 (1964), 282.
  14. M. Lisby, J. H. Barlow, R. C. Burgess and R. Rothstein, Cell 118 (2004), 699.
  15. J. A. Melo, J. Cohen and D. P. Toczyski, Genes. Dev. 15 (2001), 2809.
  16. K. Dubrana, H. van Attikum, F. Hediger and S. M. Gasser, J. Cell Sci. 120 (2007), 4209.
  17. E. Soutoglou, J. F. Dorn, K. Sengupta, M. Jasin, A. Nussenzweig, T. Ried, G. Danuser and T. Misteli, Nat. Cell Biol. 9 (2007), 675.
  18. J. A. Kaye, J. A. Melo, S. K. Cheung, M. B. Vaze, J. E. Haber and D. P. Toczyski, Curr. Biol. 14 (2004), 2096.
  19. K. Lobachev, E. Vitriol, J. Stemple, M. A. Resnick and K. Bloom, Curr. Biol. 14 (2004), 2107.
  20. B. R. Cairns, Nature 461 (2009), 193.
  21. P. Fraser and W. Bickmore, Nature 447 (2007), 413.
  22. J. Vazquez, A. S. Belmont and J. W. Sedat, Curr. Biol. 11 (2001), 1227.
  23. W. F. Marshall, A. Straight, J. F. Marko, J. Swedlow, A. Dernburg, A. Belmont, A. W. Murray, D. A. Agard and J. W. Sedat, Curr. Biol. 7 (1997), 930.
  24. J. R. Chubb, S. Boyle, P. Perry and W. A. Bickmore, Curr. Biol. 12 (2002), 439.
  25. P. Heun, T. Laroche, K. Shimada, P. Furrer and S. M. Gasser, Science 294 (2001), 2181[Science].
  26. M. R. Gartenberg, F. R. Neumann, T. Laroche, M. Blaszczyk and S. M. Gasser, Cell 119 (2004), 955.
  27. C. H. Chuang, A. E. Carpenter, B. Fuchsova, T. Johnson, P. de Lanerolle and A. S. Belmont, Curr. Biol. 16 (2006), 825.
  28. M. J. Kruhlak, A. Celeste, G. Dellaire, O. Fernandez-Capetillo, W. G. Müller, J. G. McNally, D. P. Bazett-Jones and A. Nussenzweig, J. Cell Biol. 172 (2006), 823.
  29. B. Jakob, J. Splinter, M. Durante and G. Taucher-Scholz, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106 (2009), 3172.
  30. J. A. Aten, J. Stap, P. M. Krawczyk, C. H. van Oven, R. A. Hoebe, J. Essers and R. Kanaar, Science 303 (2004), 92[Science].
  31. S. V. Costes, I. Chiolo, J. M. Pluth, M. H. Barcellos-Hoff and B. Jakob, Mutat. Res. 704 (2010), 78.
  32. M. Falk, E. Lukasova and S. Kozubek, Mutat. Res. 704 (2010), 88.
  33. R. G. Sargent, R. V. Merrihew, R. Nairn, G. Adair, M. Meuth and J. H. Wilson, Nucleic Acids Res. 24 (1996), 746.
  34. J. M. Stark and M. Jasin, Mol. Cell Biol. 23 (2003), 733.
  35. A. Tremblay, M. Jasin and P. Chartrand, Mol. Cell Biol. 20 (2000), 54.
  36. C. Richardson, M. E. Moynahan and M. Jasin, Genes. Dev. 12 (1998), 3831.
  37. H. Zheng and J. H. Wilson, Nature 344 (1990), 170.
  38. N. Sugawara, X. Wang and J. E. Haber, Mol. Cell 12 (2003), 209.
  39. O. Inbar and M. Kupiec, Mol. Cell Biol. 19 (1999), 4134.
  40. O. Inbar, B. Liefshitz, G. Bitan and M. Kupiec, J. Biol. Chem. 275 (2000), 30833.
  41. Y. Aylon, B. Liefshitz, G. Bitan-Banin and M. Kupiec, Mol. Cell Biol. 23 (2003), 1403.
  42. P. L. Houston and J. R. Broach, PLoS Genet. 2 (2006), e98.
  43. J. H. Wilson, W. Y. Leung, G. Bosco, D. Dieu and J. E. Haber, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 91 (1994), 177.
  44. J. E. Haber and W. Y. Leung, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93 (1996), 13949.
  45. M. Lichten and J. E. Haber, Genetics 123 (1989), 261.
  46. P. S. Lee, P. W. Greenwell, M. Dominska, M. Gawel, M. Hamilton and T. D. Petes, PLoS Genet. 5 (2009), e1000410.
  47. M. Ricchetti, B. Dujon and C. Fairhead, J. Mol. Biol. 328 (2003), 847.
  48. A. Aguilera and B. Gómez-Gónzalez, Nat. Rev. Genet. 9 (2008), 204.
  49. M. E. Marvin, C. D. Griffin, D. E. Eyre, D. B. Barton and E. J. Louis, Genetics 183 (2009), 441.
  50. K. Nasmyth and C. H. Haering, Annu. Rev. Genet. 43 (2009), 525.
  51. B. D. McKee, Biochim. Biophys. Acta 1677 (2004), 165.
  52. B. M. Weiner and N. Kleckner, Cell 77 (1994), 977.
  53. L. Aragon-Alcaide and A. V. Strunnikov, Nat. Cell Biol. 2 (2000), 812.
  54. A. Lorenz, J. Fuchs, R. Burger and J. Loidl, Eukaryotic Cell 2 (2003), 856.
  55. S. Nagai, P. Heun and S. M. Gasser, Epigenomics 2 (2010), 289.
  56. S. E. Halford, Biochem. Soc. Trans. 37 (2009), 343.
  57. A. Taddei, H. Schober and S. M. Gasser, Cold Spring Harbor Perspect. Biol. 2 (2010), a000612.
  58. T. Sexton, H. Schober, P. Fraser and S. M. Gasser, Nat. Struct. Mol. Biol. 14 (2007), 1049.
  59. B. Towbin, P. Meister and S. M. Gasser, Curr. Opin. Genet. Dev. 19 (2009), 180.
  60. P. Therizols, C. Fairhead, G. G. Cabal, A. Genovesio, J. C. Olivo-Marin, B. Dujon and E. Fabre, J. Cell Biol. 172 (2006), 189.
  61. S. Nagai, K. Dubrana, M. Tsai-Pflugfelder, M. B. Davidson, T. M. Roberts, G. W. Brown, E. Varela, F. Hediger, S. M. Gasser and N. J. Krogan, Science 322 (2008), 597.
  62. P. Oza, S. L. Jasperson, A. Miele, J. Dekker and C. L. Peterson, Genes. Dev. 23 (2009), 912.
  63. M. Kalocsay, N. J. Hiller and S. Jentsch, Mol. Cell 33 (2009), 335.
  64. H. Merlitz, K. V. Klenin, C. X. Wu and J. Langowski, J. Chem. Phys. 124 (2006), 134908[AIP Scitation].
  65. H. Merlitz, K. V. Klenin, C. X. Wu and J. Langowski, J. Chem. Phys. 125 (2006), 014906[AIP Scitation].
  66. L. R. Gehlen, PhD thesis, University of Basel (2009).
  67. K. Bystricky, H. Van Attikum, M. D. Montiel, V. Dion, L. Gehlen and S. M. Gasser, Mol. Cell Biol. 29 (2009), 835.
  68. M. Lisby, R. Rothstein and U. H. Mortensen, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 98 (2001), 8276.
  69. M. Lisby, U. H. Mortensen and R. Rothstein, Nat. Cell Biol. 5 (2003), 572.
  70. S. G. Martin, T. Laroche, N. Suka, M. Grunstein and S. M. Gasser, Cell 97 (1999), 621.
  71. K. D. Mills, D. A. Sinclair and L. Guarente, Cell 97 (1999), 609.
  72. A. D. McAinsh, S. Scott-Drew, J. A. Murray and S. P. Jackson, Curr. Biol. 9 (1999), 963.
  73. F. Hediger, F. R. Neumann, G. Van Houwe, K. Dubrana and S. M. Gasser, Curr. Biol. 12 (2002), 2076.

[PTP HOME] [BROWSE] [SEARCH] [SUBSCRIPTION] [SUBMISSION] [REGISTRATION]

Copyright © Progress of Theoretical Physics 2013 All rights reserved.