stringtranslate.com

Поддержание минихромосом

Минихромосомный комплекс белков поддержки ( MCM ) представляет собой ДНК-хеликазу, необходимую для репликации геномной ДНК. Эукариотический MCM состоит из шести генных продуктов, Mcm2–7, которые образуют гетерогексамер. [1] [2] Как критический белок для деления клеток, MCM также является целью различных контрольных точек, таких как контрольные точки входа в S-фазу и остановки S-фазы. Как загрузка, так и активация MCM-хеликазы строго регулируются и связаны с циклами роста клеток. Дерегуляция функции MCM связана с геномной нестабильностью и различными карциномами. [3] [4]

История и структура

Гомология, разделяемая членами семейства белков Mcm2-7. [5] Гомология среди шести членов семейства обозначена черным цветом. Гомология каждого члена между видами обозначена цветом.

Белки поддержания минихромосом были названы в честь генетического скрининга дрожжей на предмет мутантов, дефектных в регуляции инициации репликации ДНК. [6] Обоснованием этого скрининга было то, что если точки начала репликации регулируются аналогично промоутерам транскрипции, где регуляторы транскрипции демонстрируют специфичность к промотору, то регуляторы репликации также должны проявлять специфичность к точке начала. Поскольку эукариотические хромосомы содержат несколько точек начала репликации, а плазмиды содержат только одну, небольшой дефект в этих регуляторах окажет драматическое влияние на репликацию плазмид, но малое влияние на хромосомы. В этом скрининге были идентифицированы мутанты, условные для потери плазмиды. Во вторичном скрининге эти условные мутанты были отобраны по дефектам в поддержании плазмиды против коллекции плазмид, каждая из которых несет различную последовательность начала. Было идентифицировано два класса мутантов mcm : те, которые влияют на стабильность всех минихромосом, и другие, которые влияют на стабильность только подмножества минихромосом. Первые были мутантами с дефектами в сегрегации хромосом, такими как mcm16, mcm20 и mcm21. Среди последнего класса мутантов, специфичных для происхождения, были mcm1, mcm2, mcm3, mcm5 и mcm10. Позже другие идентифицировали Mcm4, Mcm6 и Mcm7 у дрожжей и других эукариот на основе гомологии с Mcm2p, Mcm3p и Mcm5p, расширив семейство MCM до шести, впоследствии известное как семейство Mcm2-7. [5] У архей гетерогексамерное кольцо заменяется гомогексамером, состоящим из одного типа белка mcm , что указывает на историю дупликации генов и диверсификации. [7]

Mcm1 [8] [9] и Mcm10 [10] [11] также участвуют в репликации ДНК, напрямую или косвенно, но не имеют гомологии последовательностей с семейством Mcm2-7.

Функция в инициации и удлинении репликации ДНК

MCM2-7 необходим как для инициации репликации ДНК, так и для ее удлинения; его регуляция на каждом этапе является центральной особенностью репликации ДНК эукариот. [3] Во время фазы G1 два кольца Mcm2-7, соединенные головкой к головке, служат в качестве каркаса для сборки двунаправленных комплексов инициации репликации в точке начала репликации. Во время фазы S комплекс Mcm2-7 образует каталитическое ядро ​​геликазы Cdc45-MCM-GINS — механизма раскручивания ДНК реплисомы.

G1/пререпликативная комплексная сборка

Выбор места для точек начала репликации осуществляется комплексом распознавания начала (ORC), комплексом из шести субъединиц (Orc1-6). [12] [13] Во время фазы G1 клеточного цикла Cdc6 рекрутируется ORC, чтобы сформировать стартовую площадку для загрузки двух головок гексамеров Mcm2-7, также известных как пререпликационный комплекс (пре-RC). [14] Существуют генетические и биохимические доказательства того, что рекрутирование двойного гексамера может включать либо один [15], либо два [16] ORC. Растворимый гексамер Mcm2-7 образует гибкую левостороннюю открытую кольцевую структуру, стабилизированную Cdt1 перед его загрузкой на хроматин, [2] [17] по одному за раз. [18] Структура промежуточного продукта ORC-Cdc6-Cdt1-MCM (OCCM), образованного после загрузки первого гептамера Cdt1-Mcm2-7, указывает на то, что домен крылатой спирали на C-концевых расширениях (CTE) комплекса Mcm2-7 прочно закреплен на поверхностях, созданных кольцевой структурой ORC-Cdc6 вокруг исходной ДНК. [19] Считается, что слияние двух гексамеров Mcm2-7 «голова к голове» облегчается удалением Cdt1, в результате чего NTD двух гексамеров MCM становятся гибкими для межкольцевых взаимодействий. [20] [1] Загрузка MCM2-7 на ДНК является активным процессом, требующим гидролиза АТФ как Orc1-6, так и Cdc6. [21] Этот процесс называется «лицензированием репликации», поскольку он является предпосылкой для инициации репликации ДНК в каждом цикле деления клетки. [22] [23]

Поздний G1/ранний S - инициация

В поздней фазе G1/ранней фазе S пре-RC активируется для раскручивания ДНК циклин-зависимыми киназами (CDK) и DDK. Это облегчает загрузку дополнительных факторов репликации (например, Cdc45 , MCM10 , GINS и ДНК-полимераз ) и раскручивание ДНК в точке начала. [3] После завершения формирования пре-RC Orc1-6 и Cdc6 больше не требуются для удержания MCM2-7 в точке начала, и они становятся необязательными для последующей репликации ДНК.

S-фаза/удлинение

При вступлении в фазу S активность CDK и Dbf4-зависимой киназы (DDK) Cdc7 способствует сборке репликативных вилок , вероятно, отчасти за счет активации MCM2-7 для раскручивания ДНК. После загрузки ДНК-полимеразы начинается двунаправленная репликация ДНК.

Во время фазы S Cdc6 и Cdt1 деградируют или инактивируются, чтобы блокировать дополнительное образование pre-RC, и происходит двунаправленная репликация ДНК. Когда репликационная вилка сталкивается с повреждениями в ДНК, ответ контрольной точки S-фазы замедляет или останавливает прогрессирование вилки и стабилизирует связь MCM2-7 с репликационной вилкой во время репарации ДНК. [24]

Роль в лицензировании репликации

Система лицензирования репликации действует для того, чтобы гарантировать, что ни один участок генома не будет реплицироваться более одного раза в одном клеточном цикле. [25]

Инактивация любой из по крайней мере пяти из шести субъединиц MCM во время фазы S быстро блокирует текущее удлинение. Как критический механизм для обеспечения только одного раунда репликации ДНК, загрузка дополнительных комплексов MCM2-7 в пре-RC инактивируется избыточными средствами после перехода в фазу S.  [26]

Активность MCM2-7 также может регулироваться во время удлинения. Потеря целостности репликативной вилки, событие, вызванное повреждением ДНК, необычной последовательностью ДНК или недостаточным количеством предшественников дезоксирибонуклеотидов, может привести к образованию двухцепочечных разрывов ДНК и перестройкам хромосом. Обычно эти проблемы репликации запускают контрольную точку S-фазы, которая минимизирует геномное повреждение, блокируя дальнейшее удлинение и физически стабилизируя ассоциации белок-ДНК в репликативной вилке до тех пор, пока проблема не будет устранена. Эта стабилизация репликативной вилки требует физического взаимодействия MCM2-7 с Mrc1, Tof1 и Csm3 (комплекс M/T/C). [27] При отсутствии этих белков раскручивание dsDNA и движение реплисомы, поддерживаемое MCM2-7, продолжаются, но синтез ДНК останавливается. По крайней мере часть этой остановки обусловлена ​​диссоциацией полимеразы ε от репликативной вилки. [27]

Биохимическая структура

Каждая субъединица в структуре MCM содержит два больших N- и C-концевых домена. N-концевой домен состоит из трех небольших субдоменов и, по-видимому, используется в основном для структурной организации. [28] [1] N-домен может координироваться с C-концевым доменом AAA + геликазы соседней субъединицы через длинную и консервативную петлю. [29] [1] Было показано, что эта консервативная петля, называемая аллостерической контрольной петлей, играет роль в регулировании взаимодействий между N- и C-концевыми областями, облегчая связь между доменами в ответ на гидролиз АТФ [10]. N-домен также устанавливает in vitro направленность MCM 3′→5′.  [30] [31]

Модели раскручивания ДНК

Что касается физического механизма того, как гексамерная геликаза раскручивает ДНК, были предложены две модели, основанные на данных in vivo и in vitro. В «стерической» модели геликаза плотно перемещается вдоль одной нити ДНК, физически вытесняя комплементарную нить. В модели «насоса» пары гексамерных геликаз раскручивают дуплексную ДНК, либо скручивая ее, либо выдавливая через каналы в комплексе.

Стерическая модель

Стерическая модель предполагает, что геликаза охватывает двухцепочечную ДНК и после локального плавления дуплексной ДНК в точке начала координат перемещается от точки начала координат, увлекая за собой жесткий белковый «клин» (часть самой геликазы или другого связанного белка), который разделяет нити ДНК. [32]

Модель насоса

Модель насоса постулирует, что множественные геликазы загружаются в начало репликации, перемещаются друг от друга и в конечном итоге каким-то образом закрепляются на месте. Затем они вращают dsDNA в противоположных направлениях, что приводит к раскручиванию двойной спирали в промежуточной области. [33] Также было предложено ограничить модель насоса плавлением исходной ДНК, в то время как комплексы Mcm2-7 все еще закреплены в начале непосредственно перед началом репликации. [1]

Роль в раке

Было показано, что различные MCM способствуют пролиферации клеток in vitro и in vivo, особенно в определенных типах линий раковых клеток. Связь между MCM и пролиферацией в линиях раковых клеток в основном объясняется их способностью усиливать репликацию ДНК. Роли MCM2 и MCM7 в пролиферации клеток были продемонстрированы в различных клеточных контекстах и ​​даже в образцах человека.  [26]

Было показано, что MCM2 часто экспрессируется в пролиферирующих предраковых клетках легких. Его экспрессия была связана с клетками, имеющими более высокий потенциал пролиферации в недиспластическом плоском эпителии, злокачественных фиброзных гистиоцитомах и эндометриальной карциноме, в то время как экспрессия MCM2 также коррелировала с более высоким митотическим индексом в образцах рака молочной железы.  [34]

Аналогично, многие исследования показали связь между экспрессией MCM7 и пролиферацией клеток. Экспрессия MCM7 значительно коррелировала с экспрессией Ki67 в хориокарциномах, раке легких, папиллярной уротелиальной неоплазии, раке пищевода и раке эндометрия. Его экспрессия также была связана с более высоким пролиферативным индексом в простатической интраэпителиальной неоплазии и раке. [35]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdef Ли Н, Чжай Ю, Чжан Ю, Ли В, Ян М, Лэй Дж, Тай БК, Гао Н (август 2015 г.). «Структура эукариотического комплекса MCM на расстоянии 3,8 Å». Природа . 524 (7564): 186–91. Бибкод : 2015Natur.524..186L. дои : 10.1038/nature14685. PMID  26222030. S2CID  4468690.
  2. ^ ab Zhai Y, Cheng E, Wu H, Li N, Yung PY, Gao N, Tye BK (март 2017 г.). «Разомкнутая кольцевая структура комплекса Cdt1-Mcm2-7 как предшественника двойного гексамера MCM». Nature Structural & Molecular Biology . 24 (3): 300–308. doi :10.1038/nsmb.3374. PMID  28191894. S2CID  3929807.
  3. ^ abc Bochman ML, Schwacha A (декабрь 2009 г.). «Комплекс Mcm: раскручивание механизма репликативной геликазы». Microbiology and Molecular Biology Reviews . 73 (4): 652–83. doi :10.1128/mmbr.00019-09. PMC 2786579. PMID 19946136  . 
  4. ^ Shima N, Alcaraz A, Liachko I, Buske TR, Andrews CA, Munroe RJ, Hartford SA, Tye BK, Schimenti JC (январь 2007 г.). «Жизнеспособный аллель Mcm4 вызывает нестабильность хромосом и аденокарциномы молочной железы у мышей». Nature Genetics . 39 (1): 93–8. doi :10.1038/ng1936. PMID  17143284. S2CID  11433033.
  5. ^ ab Tye BK (июнь 1999). "MCM белки в репликации ДНК". Annual Review of Biochemistry . 68 (1): 649–86. doi :10.1146/annurev.biochem.68.1.649. PMID  10872463.
  6. ^ Maine GT, Sinha P, Tye BK (март 1984). «Мутанты S. cerevisiae, дефектные в поддержании минихромосом». Genetics . 106 (3): 365–85. doi :10.1093/genetics/106.3.365. PMC 1224244 . PMID  6323245. 
  7. ^ Ausiannikava D, Allers T (январь 2017). «Разнообразие репликации ДНК у архей». Genes . 8 (2): 56. doi : 10.3390/genes8020056 . PMC 5333045 . PMID  28146124. 
  8. ^ Пассмор С., Элбл Р., Тай Б.К. (июль 1989 г.). «Белок, участвующий в поддержании минихромосомы у дрожжей, связывает транскрипционный энхансер, сохраняющийся у эукариот». Гены и развитие . 3 (7): 921–35. doi : 10.1101/gad.3.7.921 . PMID  2673922.
  9. ^ Chang VK, Fitch MJ, Donato JJ, Christensen TW, Merchant AM, Tye BK (февраль 2003 г.). «Mcm1 связывает точки начала репликации». Журнал биологической химии . 278 (8): 6093–100. doi : 10.1074/jbc.M209827200 . PMID  12473677.
  10. ^ Merchant AM, Kawasaki Y, Chen Y, Lei M, Tye BK (июнь 1997 г.). «Повреждение фактора инициации репликации ДНК Mcm10 вызывает остановку вилок удлинения через точки начала репликации хромосом в Saccharomyces cerevisiae». Молекулярная и клеточная биология . 17 (6): 3261–71. doi :10.1128/MCB.17.6.3261. PMC 232179. PMID  9154825. 
  11. ^ Homesley L, Lei M, Kawasaki Y, Sawyer S, Christensen T, Tye BK (апрель 2000 г.). «Mcm10 и комплекс MCM2-7 взаимодействуют, инициируя синтез ДНК и высвобождая факторы репликации из источников». Genes & Development . 14 (8): 913–26. doi :10.1101/gad.14.8.913. PMC 316538 . PMID  10783164. 
  12. ^ Белл СП, Стиллман Б (май 1992). «АТФ-зависимое распознавание эукариотических источников репликации ДНК мультипротеиновым комплексом». Nature . 357 (6374): 128–34. Bibcode :1992Natur.357..128B. doi :10.1038/357128a0. PMID  1579162. S2CID  4346767.
  13. ^ Li N, Lam WH, Zhai Y, Cheng J, Cheng E, Zhao Y, Gao N, Tye BK (июль 2018 г.). «Структура комплекса распознавания начала, связанного с началом репликации ДНК». Nature . 559 (7713): 217–222. Bibcode :2018Natur.559..217L. doi :10.1038/s41586-018-0293-x. PMID  29973722. S2CID  49577101.
  14. ^ Диффли Дж. Ф., Кокер Дж. Х., Доуэлл С. Дж., Харвуд Дж., Роули А. (1995). «Поэтапная сборка комплексов инициации в точках начала репликации почкующихся дрожжей во время клеточного цикла». Журнал клеточной науки. Приложение . 19 : 67–72. doi : 10.1242/jcs.1995.supplement_19.9 . PMID  8655649.
  15. ^ Ticau S, Friedman LJ, Ivica NA, Gelles J, Bell SP (апрель 2015 г.). «Исследования отдельных молекул по лицензированию происхождения выявляют механизмы, обеспечивающие двунаправленную загрузку геликазы». Cell . 161 (3): 513–525. doi :10.1016/j.cell.2015.03.012. PMC 4445235 . PMID  25892223. 
  16. ^ Coster G, Diffley JF (июль 2017 г.). «Двунаправленная репликация эукариотической ДНК устанавливается квазисимметричной загрузкой геликазы». Science . 357 (6348): 314–318. Bibcode :2017Sci...357..314C. doi :10.1126/science.aan0063. PMC 5608077 . PMID  28729513. 
  17. ^ Frigola J, He J, Kinkelin K, Pye VE, Renault L, Douglas ME, Remus D, Cherepanov P, Costa A, Diffley JF (июнь 2017 г.). "Cdt1 стабилизирует открытое кольцо MCM для загрузки геликазы". Nature Communications . 8 : 15720. Bibcode : 2017NatCo ...815720F. doi : 10.1038/ncomms15720. PMC 5490006. PMID  28643783. 
  18. ^ Ticau S, Friedman LJ, Champasa K, Corrêa IR, Gelles J, Bell SP (март 2017 г.). «Механизм и время замыкания кольца Mcm2-7 во время лицензирования начала репликации ДНК». Nature Structural & Molecular Biology . 24 (3): 309–315. doi :10.1038/nsmb.3375. PMC 5336523 . PMID  28191892. 
  19. ^ Юань З, Риера А, Бай Л, Сан Дж, Нанди С, Спанос К, Чен ЗА, Барбон М, Раппсилбер Дж , Стиллман Б, Спек К, Ли Х (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. 
  20. ^ Zhai Y, Li N, Jiang H, Huang X, Gao N, Tye BK (июль 2017 г.). «Уникальные роли неидентичных субъединиц MCM в лицензировании репликации ДНК». Molecular Cell . 67 (2): 168–179. doi : 10.1016/j.molcel.2017.06.016 . PMID  28732205.
  21. ^ Randell JC, Bowers JL, Rodríguez HK, Bell SP (январь 2006 г.). «Последовательный гидролиз АТФ с помощью Cdc6 и ORC направляет загрузку геликазы Mcm2-7». Molecular Cell . 21 (1): 29–39. doi : 10.1016/j.molcel.2005.11.023 . PMID  16387651.
  22. ^ Тай БК (май 1994). «Белки MCM2-3-5: являются ли они факторами лицензирования репликации?». Тенденции в клеточной биологии . 4 (5): 160–6. doi :10.1016/0962-8924(94)90200-3. PMID  14731643.
  23. ^ Thömmes P, Kubota Y, Takisawa H, Blow JJ (июнь 1997 г.). «Компонент RLF-M системы лицензирования репликации образует комплексы, содержащие все шесть полипептидов MCM/P1». The EMBO Journal . 16 (11): 3312–9. doi :10.1093/emboj/16.11.3312. PMC 1169947. PMID  9214646 . 
  24. ^ Камимура Y, Так YS, Сугино A, Араки H (апрель 2001 г.). «Sld3, который взаимодействует с Cdc45 (Sld4), функционирует для репликации хромосомной ДНК в Saccharomyces cerevisiae». The EMBO Journal . 20 (8): 2097–107. doi :10.1093/emboj/20.8.2097. PMC 125422. PMID  11296242 . 
  25. ^ Tada S, Blow JJ (август 1998). «Система лицензирования репликации». Биологическая химия . 379 (8–9): 941–9. doi :10.1515/bchm.1998.379.8-9.941. PMC 3604913. PMID  9792427 . 
  26. ^ ab Neves H, Kwok HF (август 2017 г.). «В болезни и в здоровье: многочисленные роли белков поддержания минихромосом». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Обзоры рака . 1868 (1): 295–308. doi :10.1016/j.bbcan.2017.06.001. PMID  28579200.
  27. ^ ab Katou Y, Kanoh Y, Bando M, Noguchi H, Tanaka H, ​​Ashikari T, Sugimoto K, Shirahige K (август 2003 г.). «Белки контрольной точки S-фазы Tof1 и Mrc1 образуют стабильный комплекс, останавливающий репликацию». Nature . 424 (6952): 1078–83. Bibcode :2003Natur.424.1078K. doi :10.1038/nature01900. PMID  12944972. S2CID  4330982.
  28. ^ Liu W, Pucci B, Rossi M, Pisani FM, Ladenstein R (июнь 2008 г.). «Структурный анализ N-концевого домена белка MCM Sulfolobus solfataricus». Nucleic Acids Research . 36 (10): 3235–43. doi :10.1093/nar/gkn183. PMC 2425480. PMID  18417534 . 
  29. ^ Brewster AS, Chen XS (июнь 2010 г.). «Понимание функционального механизма MCM: уроки, извлеченные из архейного комплекса MCM». Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology . 45 (3): 243–56. doi :10.3109/10409238.2010.484836. PMC 2953368. PMID  20441442 . 
  30. ^ Barry ER, McGeoch AT, Kelman Z, Bell SD (2007-02-01). «Archaeal MCM has separable processivity, soil choice and helicase domains». Nucleic Acids Research . 35 (3): 988–98. doi :10.1093/nar/gkl1117. PMC 1807962. PMID 17259218  . 
  31. ^ Georgescu R, Yuan Z, Bai L, de Luna Almeida Santos R, Sun J, Zhang D и др. (январь 2017 г.). «Структура эукариотической CMG-хеликазы в репликационной вилке и ее влияние на архитектуру реплисомы и инициацию начала». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 114 (5): E697–E706. doi : 10.1073/pnas.1620500114 . PMC 5293012. PMID  28096349 . 
  32. ^ Patel SS, Picha KM (2000-06-01). «Структура и функция гексамерных геликаз». Annual Review of Biochemistry . 69 (1): 651–97. doi :10.1146/annurev.biochem.69.1.651. PMID  10966472.
  33. ^ Laskey RA, Madine MA (январь 2003 г.). «Модель роторного насоса для функции геликазы белков MCM на расстоянии от репликативных вилок». EMBO Reports . 4 (1): 26–30. doi :10.1038/sj.embor.embor706. PMC 1315806. PMID  12524516 . 
  34. ^ Gonzalez MA, Pinder SE, Callagy G, Vowler SL, Morris LS, Bird K, Bell JA, Laskey RA, Coleman N (декабрь 2003 г.). «Белок поддержания минихромосом 2 является сильным независимым прогностическим маркером при раке молочной железы». Журнал клинической онкологии . 21 (23): 4306–13. doi :10.1200/jco.2003.04.121. PMID  14645419.
  35. ^ Guan B, Wang X, Yang J, Zhou C, Meng Y (август 2015 г.). «Компонент комплекса поддержания минихромосом 7 играет важную роль в инвазии папиллярной уротелиальной неоплазии». Oncology Letters . 10 (2): 946–950. doi :10.3892/ol.2015.3333. PMC 4509410 . PMID  26622601. 
  36. ^ Cortez D, Glick G, Elledge SJ (июль 2004 г.). «Белки поддержания минихромосом являются прямыми целями киназ контрольных точек ATM и ATR». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 101 (27): 10078–83. doi : 10.1073/pnas.0403410101 . PMC 454167. PMID  15210935 . 

Внешние ссылки