stringtranslate.com

Пререпликационный комплекс

Упрощенная схема загрузки эукариотического пререпликационного комплекса

Пререпликационный комплекс ( пре-RC ) — это белковый комплекс , который образуется в начале репликации во время инициирующего этапа репликации ДНК . Формирование пре-RC необходимо для репликации ДНК. Полная и точная репликация генома гарантирует , что каждая дочерняя клетка будет нести ту же генетическую информацию, что и родительская клетка. Соответственно, формирование пре-RC является очень важной частью клеточного цикла .

Компоненты

По мере того, как организмы развивались и становились все более сложными, то же самое происходило и с их пре-РК. Ниже приводится краткое изложение компонентов пре-РК среди различных доменов жизни.

У бактерий основным компонентом пре-RC является DnaA . Пре-RC завершается, когда DnaA занимает все свои сайты связывания в бактериальном начале репликации ( oriC ). Конкретные сайты на oriC, с которыми связывается DnaA, определяют, имеет ли клетка bORC (бактериальный комплекс распознавания происхождения) или пре-RC. [1]

Архейный пре-RC сильно отличается от бактериального пре-RC и может служить упрощенной моделью эукариотического пре-RC. Он состоит из белка комплекса распознавания одного источника ( ORC), Cdc6 / ORC1 , и гомогексамера белка поддержания минихромосомы (MCM). Sulfolobus islandicus также использует гомолог Cdt1 для распознавания одного из своих источников репликации. [2]

Эукариотический pre-RC является наиболее сложным и высокорегулируемым pre-RC. У большинства эукариот он состоит из шести белков ORC (ORC1-6), Cdc6 , Cdt1 и гетерогексамера шести белков MCM (MCM2-7). Гетерогексамер MCM, вероятно, возник в результате событий дупликации гена MCM и последующей дивергентной эволюции. Pre-RC Schizosaccharomyces pombe ( S. pombe ) заметно отличается от такового у других эукариот; Cdc6 заменен гомологичным белком Cdc18. Sap1 также включен в pre-RC S. pombe , поскольку он необходим для связывания Cdc18. Pre-RC Xenopus laevis ( X. laevis ) также имеет дополнительный белок, MCM9, который помогает загружать гетерогексамер MCM в точку начала репликации. [3] Структура ORC, MCM, а также промежуточного комплекса ORC-Cdc6-Cdt1-Mcm2-7 (OCCM) была решена. [4]

Распознавание начала репликации

Распознавание начала репликации является критическим первым шагом в формировании пре-RC. В разных областях жизни этот процесс осуществляется по-разному.

У прокариот распознавание начала осуществляется DnaA. DnaA прочно связывается с консенсусной последовательностью из 9 пар оснований в oriC; 5' – TTATCCACA – 3'. Существует 5 таких 9-пн последовательностей (R1-R5) и 4 неконсенсусных последовательности (I1-I4) в oriC, с которыми DnaA связывается с дифференциальной аффинностью. DnaA связывает R4, R1 и R2 с высокой аффинностью и R5, I1, I2, I3 и R3 с меньшей аффинностью. [5] In vivo было замечено, что связывание DnaA с сайтами распознавания происходит в следующем порядке: R1, R2, затем R4, что образует bORC. После этого другие сайты распознавания из 9 пн с более низкой аффинностью связываются с DnaA, что образует пре-RC. [6]

Археи имеют 1–3 начала репликации. Начало обычно представляет собой АТ-богатые тракты, которые различаются в зависимости от вида архей. Единственный архейный белок ORC распознает АТ-богатые тракты и связывает ДНК АТФ-зависимым образом.

Эукариоты обычно имеют несколько точек начала репликации; по крайней мере, одну на хромосому. Saccharomyces cerevisiae ( S. cerevisiae ) — единственный известный эукариот с определенной последовательностью начала TTTTTATG/ATTTA/T. [7] Эта последовательность начала распознается ORC1-5. Известно, что ORC6 не связывает ДНК в S. cerevisiae . Последовательности начала в S. pombe и высших эукариотах не очень хорошо определены. Однако последовательности начала, как правило, либо богаты AT, либо демонстрируют изогнутую или изогнутую топологию ДНК. Известно, что белок ORC4 связывает богатую AT часть точки начала репликации в S. pombe с помощью мотивов крючка AT . Механизм распознавания точек начала у высших эукариот не совсем понятен, но считается, что белки ORC1-6 зависят от необычной топологии ДНК для связывания. [8]

Загрузка

Обзор дупликации хромосом в клеточном цикле

Сборка пререпликационного комплекса происходит только во время поздней фазы M и ранней фазы G1 клеточного цикла, когда активность циклин-зависимой киназы (CDK) низкая. Этот выбор времени и другие регуляторные механизмы гарантируют, что репликация ДНК будет происходить только один раз за клеточный цикл. Сборка пре-RC зависит от предварительного распознавания происхождения, либо DnaA у прокариот, либо ORC у архей и эукариот.

Пре-RC прокариот завершается, когда DnaA занимает все возможные сайты связывания в пределах oriC. DnaA может связываться только с сайтами с низким сродством на oriC после удаления белка fis из oriC. Удаление fis, белок IHF (интегрированный фактор хозяина) связывается с сайтом между R1 и R2, что позволяет DnaA связываться с сайтами с низким сродством на oriC. Это завершает пре-RC. [9]

Пре-RC архей требует связывания ORC источника. После этого Cdc6 и гомогексамерный комплекс MCM связываются последовательно.

Эукариоты имеют наиболее сложную pre-RC. После того, как ORC1-6 связывается с началом репликации, рекрутируется Cdc6. Cdc6 рекрутирует фактор лицензирования Cdt1 и MCM2-7. Связывание Cdt1 и гидролиз АТФ ORC и Cdc6 загружают MCM2-7 на ДНК. Существует стехиометрический избыток белков MCM по сравнению с белками ORC и Cdc6, что указывает на то, что может быть несколько гетерогексамеров MCM, связанных с каждым началом репликации. [3]

Инициация репликации

После формирования пре-РК его необходимо активировать и собрать реплисому, чтобы произошла репликация ДНК.

У прокариот DnaA гидролизует АТФ, чтобы раскрутить ДНК в oriC. Эта денатурированная область доступна для геликазы DnaB и загрузчика геликазы DnaC . Одноцепочечные связывающие белки стабилизируют новообразованный репликационный пузырь и взаимодействуют с праймазой DnaG . DnaG привлекает репликативную ДНК-полимеразу III, и начинается репликация.

У эукариот гетерогексамер MCM фосфорилируется CDC7 и CDK, которые вытесняют Cdc6 и рекрутируют MCM10 . MCM10 взаимодействует с MCM2-7 при рекрутировании Cdc45 . Затем Cdc45 рекрутирует ключевые компоненты реплисомы : репликативную ДНК-полимеразу α и ее праймазу. Затем может начаться репликация ДНК. [10]

Предотвращение повторной сборки пререпликационного комплекса

В течение каждого клеточного цикла важно, чтобы геном был полностью реплицирован один и только один раз. Формирование пререпликационного комплекса в конце фазы M и начале фазы G1 необходимо для репликации генома, но после того, как геном реплицирован, пре-RC не должен образовываться снова до следующего клеточного цикла.

В прокариотах различные исследования продемонстрировали, что pre-RC представляет собой комплекс, который присутствует только в течение части клеточного цикла. После того, как происходит клеточное деление, pre-RC должен вернуться обратно в bORC, чтобы гарантировать, что во время деления происходит только один раунд репликации ДНК. В E. coli в oriC есть 11 сайтов GATC, которые подвергаются гемиметилированию во время репликации ДНК. Белок SeqA связывается с этими сайтами, предотвращая повторное метилирование и блокируя связывание DnaA с сайтами с низким сродством примерно на одну треть клеточного цикла. Однако SeqA не блокирует связывание DnaA с сайтами R1, R2 и R4. Таким образом, bORC сбрасывается и готовится пройти еще одно преобразование в pre-RC. [11]

В S. cerevisiae CDK предотвращают образование комплекса репликации во время поздних фаз G1, S и G2, исключая MCM2-7 и Cdt1 из ядра, направляя Cdc6 на деградацию протеасомой и диссоциируя ORC1-6 от хроматина посредством фосфорилирования . [12] Предотвращение повторной репликации в S. pombe немного отличается; Cdt1 деградирует протеасомой, а не просто исключается из ядра. [13] Протеолитическая регуляция Cdt1 характерна для высших эукариот, включая Caenorhabditis elegans , Drosophila melanogaster , X. laevis и млекопитающих . У многоклеточных животных есть четвертый механизм предотвращения повторной репликации : во время S и G2 геминин связывается с Cdt1 и ингибирует загрузку Cdt1 MCM2-7 в начало репликации. [8]

синдром Мейера-Горлина

Известно, что дефекты в компонентах комплекса репликации эукариот вызывают синдром Мейера-Горлина, который характеризуется карликовостью , отсутствием или гипоплазией надколенников , маленькими ушами, нарушением пре- и постнатального роста и микроцефалией . [14] [15] Известны мутации в генах ORC1 , ORC4 , ORC6 , CDT1 и CDC6 . [15] Фенотип заболевания, вероятно, возникает из-за снижения способности клеток к пролиферации , что приводит к уменьшению числа клеток и общей задержке роста. [16]

Ссылки

  1. ^ Miller DT, Grimwade JE, Betteridge T, Rozgaja T, Torgue JJ, Leonard AC (ноябрь 2009 г.). «Бактериальные комплексы распознавания происхождения направляют сборку олигомерных структур ДНК-А более высокого порядка». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 106 (44): 18479–18484. Bibcode : 2009PNAS..10618479M. doi : 10.1073/pnas.0909472106 . PMC  2773971. PMID  19833870 .
  2. ^ Ausiannikava D, Allers T (январь 2017). «Разнообразие репликации ДНК у архей». Genes . 8 (2): 56. doi : 10.3390/genes8020056 . PMC 5333045 . PMID  28146124. 
  3. ^ ab Bryant JA, Aves SJ (май 2011). «Инициация репликации ДНК: функциональные и эволюционные аспекты». Annals of Botany . 107 (7): 1119–1126. doi : 10.1093/aob/mcr075. PMC 3091809. PMID  21508040. 
  4. ^ Юань З, Риера А, Бай Л, Сан Дж, Нанди С, Спанос К и др. (март 2017 г.). «Структурная основа загрузки репликативной геликазы Mcm2-7 ORC-Cdc6 и Cdt1». Nature Structural & Molecular Biology . 24 (3): 316–324. doi :10.1038/nsmb.3372. PMC 5503505 . PMID  28191893. 
  5. ^ Leonard AC, Grimwade JE (февраль 2005 г.). «Создание бактериальной орисомы: возникновение новых регуляторных функций для раскручивания точки начала репликации». Молекулярная микробиология . 55 (4): 978–985. doi :10.1111/j.1365-2958.2004.04467.x. PMC 1400601. PMID 15686547  . 
  6. ^ Ньевера С., Торг Дж. Дж., Гримвейд Дж. Э., Леонард AC (ноябрь 2006 г.). «Блокирование SeqA взаимодействий DnaA-oriC обеспечивает поэтапную сборку пре-RC E. coli». Молекулярная клетка . 24 (4): 581–592. doi :10.1016/j.molcel.2006.09.016. ЧВК 1939805 . ПМИД  17114060. 
  7. ^ Белл СП, Лабиб К (июль 2016 г.). «Дупликация хромосом у Saccharomyces cerevisiae». Генетика . 203 (3): 1027–1067. doi :10.1534/genetics.115.186452. PMC 4937469. PMID  27384026 . 
  8. ^ ab Sun J, Kong D (июль 2010 г.). «Источники репликации ДНК, взаимодействие ORC/ДНК и сборка пререпликационного комплекса у эукариот». Acta Biochimica et Biophysica Sinica . 42 (7): 433–439. doi :10.1093/abbs/gmq048. PMID  20705581.
  9. ^ Leonard AC, Grimwade JE (сентябрь 2010 г.). Lovett ST (ред.). «Инициация репликации ДНК». EcoSal Plus . 4 (1). doi :10.1128/ecosalplus.4.4.1. PMC 4236916 . PMID  26443786. 
  10. ^ Takisawa H, Mimura S, Kubota Y (декабрь 2000 г.). «Репликация эукариотической ДНК: от пререпликационного комплекса до инициационного комплекса». Current Opinion in Cell Biology . 12 (6): 690–696. doi :10.1016/S0955-0674(00)00153-8. PMID  11063933.
  11. ^ Slater S, Wold S, Lu M, Boye E, Skarstad K, Kleckner N (сентябрь 1995 г.). "Белок E. coli SeqA связывает oriC в двух различных метил-модулированных реакциях, соответствующих его ролям в инициации репликации ДНК и секвестрации начала". Cell . 82 (6): 927–936. doi : 10.1016/0092-8674(95)90272-4 . PMID  7553853. S2CID  14652024.
  12. ^ Nguyen VQ, Co C, Li JJ (июнь 2001 г.). «Циклинзависимые киназы предотвращают повторную репликацию ДНК посредством множественных механизмов». Nature . 411 (6841): 1068–1073. Bibcode :2001Natur.411.1068N. doi :10.1038/35082600. PMID  11429609. S2CID  4393812.
  13. ^ Ralph E, Boye E, Kearsey SE (ноябрь 2006 г.). «Повреждение ДНК вызывает протеолиз Cdt1 в делящихся дрожжах через путь, зависящий от Cdt2 и Ddb1». EMBO Reports . 7 (11): 1134–1139. doi :10.1038/sj.embor.7400827. PMC 1679788. PMID 17039252  . 
  14. ^ "Синдром Мейера-Горлина: MedlinePlus Genetics". medlineplus.gov . Получено 23.02.2021 .
  15. ^ ab "СИНДРОМ МЕЙЕРА-ГОРЛИНА 1; MGORS1". www.omim.org . Получено 2021-02-23 .
  16. ^ Bicknell LS, Bongers EM, Leitch A, Brown S, Schoots J, Harley ME и др. (февраль 2011 г.). «Мутации в пререпликационном комплексе вызывают синдром Мейера-Горлина». Nature Genetics . 43 (4): 356–359. doi :10.1038/ng.775. PMC 3068194 . PMID  21358632.