повторная репликация ДНК
Нежелательное явление в эукариотических клетках
Обзор нормальной дупликации хромосом в клеточном цикле

Повторная репликация ДНК (или просто повторная репликация ) является нежелательным и, возможно, фатальным явлением в эукариотических клетках , в которых геном реплицируется более одного раза за клеточный цикл . [1] Считается, что повторная репликация приводит к геномной нестабильности и была вовлечена в патологии различных видов рака у человека . [2] Чтобы предотвратить повторную репликацию, эукариотические клетки выработали несколько перекрывающихся механизмов для ингибирования частичной или полной повторной репликации хромосомной ДНК в данном клеточном цикле. Эти механизмы контроля основаны на активности циклин-зависимой киназы (CDK). [1] Механизмы контроля репликации ДНК взаимодействуют для предотвращения повторного лицензирования точек начала репликации и активации контрольных точек повреждения клеточного цикла и ДНК . [2] Повторная репликация ДНК должна строго регулироваться, чтобы гарантировать, что геномная информация будет добросовестно передаваться через последующие поколения.

Инициирование репликации в точках происхождения

Репликация ДНК всегда начинается с начала репликации. У дрожжей начала содержат автономно реплицирующиеся последовательности (ARS), распределенные по всей хромосоме на расстоянии около 30 кб друг от друга. Они позволяют реплицировать ДНК, где бы они ни находились. Длина каждой из них составляет 100-200 п.н., а элемент A является одним из наиболее консервативных участков. Вместе с другими консервативными элементами B они образуют раздел, где собираются комплексы распознавания начала репликации (ORC), чтобы начать репликацию. Повторение этих последовательностей может быть наиболее важным для распознавания начала.

В клетках животных точки начала репликации могут казаться случайными по всей хромосоме, иногда даже выступая в качестве ARS, но локальная структура хроматина играет большую роль в определении того, где будет происходить репликация. Точки начала репликации не распределены равномерно по всей хромосоме. Кластеры репликона, содержащие 20-80 точек начала репликации на кластер, активируются одновременно во время фазы S. Хотя все они активируются во время фазы S, гетерохроматин имеет тенденцию реплицироваться в поздней фазе S, так как к нему труднее получить доступ, чем к эухроматину. Эпигенетические факторы также оказывают большое влияние на то, что реплицируется и когда это реплицируется. [3]

Лицензирование происхождения

Все известные механизмы, которые предотвращают повторную репликацию ДНК в эукариотических организмах, ингибируют лицензирование ориджина. [1] Лицензирование ориджина является предварительным шагом для нормальной инициации репликации во время поздней фазы G1 и ранней фазы S и включает в себя привлечение пререпликативного комплекса (пре-RC) к ориджинам репликации . Лицензирование начинается со связывания мультисубъединичной АТФазы , комплекса распознавания ориджина (ORC), с ДНК в ориджинах репликации. [4] После связывания с хроматином ORC приобщает AAA+ АТФазу Cdc6 и белок домена спиральной спирали Cdt1 . Связывание Cdt1 и активность АТФазы ORC и Cdc6 облегчают загрузку белков обслуживания минихромосомы (MCM) 2-7 на хроматин. [1] Комплекс MCM представляет собой ДНК-хеликазу , которая открывает спираль в ориджине репликации и раскручивает две нити по мере того, как репликационные вилки перемещаются по ДНК. [5] Повышенная активность CDK в конце G1 запускает активацию ориджинов и демонтаж пре-RC. Высокие уровни CDK, которые поддерживаются до конца митоза , ингибируют или разрушают компоненты пре-RC и предотвращают повторное лицензирование ориджина. Новый комплекс MCM не может быть загружен в ориджин, пока субъединицы пре-RC не будут реактивированы со снижением активности CDK в конце митоза. Таким образом, CDK выполняют двойную роль в регуляции репликации эукариотической ДНК: повышенная активность CDK инициирует репликацию в ориджинах и предотвращает повторную репликацию, ингибируя повторное лицензирование ориджина. [6] [7] [8] Это гарантирует, что ни один ориджин репликации не сработает дважды в одном и том же клеточном цикле. [5]

Двухуровневая модель регуляции репликации ДНК

S. cerevisiae origin в пререпликативном состоянии. Сборка пререпликативного комплекса (пре-RC) подготавливает origin к запуску.
S. cerevisiae origin в пострепликативном состоянии. CDK-опосредованное фосфорилирование пре-RC-компонентов предотвращает повторное лицензирование origin.

Ранние экспериментальные данные о регуляции репликации ДНК свидетельствуют о том, что точки начала репликации существуют в одном из двух состояний во время клеточного цикла: пререпликативном состоянии в G1 и пострепликативном состоянии с момента инициации до прохождения через митоз. [1] Точки начала репликации чередуются между этими двумя различными состояниями во время клеточного цикла. [9] Фактор лицензирования , необходимый для инициации репликации, связывается с точками начала в пререпликативном состоянии. При переходе G1/S фактор инактивируется и не может быть восстановлен до тех пор, пока клеточный цикл не завершится. [10] Идентификация и характеристика белков ORC, Cdc6, Cdt1 и комплекса MCM в качестве фактора лицензирования подтверждает эту модель и предлагает способ, с помощью которого колебательная природа CDK в клеточном цикле может регулировать повторную репликацию. [1]

Регуляция репликации

Почкование дрожжей

Регуляция повторной репликации лучше всего изучена в почкующихся дрожжах. Клетки Saccharomyces cerevisiae предотвращают повторную репликацию, напрямую регулируя сборку pre-RC через CDK-опосредованное фосфорилирование компонентов pre-RC Cdc6, MCM2-7 и субъединиц ORC. [5] Фосфорилирование этих компонентов инициируется в начале S-фазы и поддерживается на протяжении всего клеточного цикла, поскольку активность CDK остается высокой. Фосфорилированный Cdc6 связывается убиквитин-протеинлигазой SCF, что приводит к его протеолитической деградации . CDK-зависимое фосфорилирование белков MCM2-7 приводит к экспорту комплекса из ядра . (Cdt1, который ассоциируется с комплексом MCM, аналогичным образом экспортируется из ядра). Фосфорилирование субъединиц ORC предположительно нарушает способность ORC связывать другие компоненты pre-RC. [5] Таким образом, множественные механизмы гарантируют, что пре-РК не может быть повторно собран на пострепликативных началах.

Примечание: Поскольку источники активируются в разное время в течение фазы S, крайне важно, чтобы ингибирующие механизмы, которые предотвращают привлечение новых MCM2-7, не дестабилизировали существующие пре-RC. Пре-RC могут оставаться собранными на источниках, которые не активировались, даже если механизмы ингибирования повторной репликации ингибируют или разрушают компоненты пре-RC.

Другие организмы

Хотя регуляция CDK сборки pre-RC, по-видимому, в высокой степени эволюционно консервативна , отмечены некоторые различия между организмами. У многоклеточных эукариот сборка pre-RC регулируется комплексом анафазного промоутера (APC) в дополнение к CDK. APC, фермент E3 , убиквитинирует белок геминин и нацеливает его на деградацию. [5] Геминин обычно предотвращает лицензирование происхождения, связываясь с Cdt1 и ингибируя его. В G1 активность APC достаточна для подавления накопления геминина, тем самым косвенно способствуя сборке pre-RC. В конце G1 APC инактивируется, и геминин может накапливаться и предотвращать повторное лицензирование происхождения.

Cdt1 обычно активируется посредством транскрипционной активации, опосредованной E2F, и связывания человеческой ацетилазы с Orc1. Протеолитическая деградация Cdt1 также является консервативным механизмом у различных эукариот высшего порядка. Cdt1 деградирует через комплекс убиквитинлигазы Cul4–Ddb1–Cdt2 E3, так что контроль лицензирования ДНК сохраняется в S и G2. Cdt1 является важным регуляторным белком, и эволюция привела к различным путям регуляции в разных организмах. Сверхэкспрессия Cdt1 или инактивация Geminin может привести к повторной репликации, поскольку недеградированный Cdt1 будет индуцировать сборку pre-RC. [11]

Регуляция пре-РК у большинства животных до сих пор не до конца изучена. [5]

Последствия повторной репликации в эукариотических клетках

Повторная репликация и митотическая неудача, как правило, не являются запрограммированными событиями, а скорее спонтанно возникают из-за дефектов в механизме клеточного цикла. [1] Повторная репликация, по-видимому, приводит к разрывам двухцепочечной ДНК, что запускает реакцию на повреждение ДНК и останавливает клетки в G2. [12] Контрольная точка фактически вызывает постоянную остановку клеточного цикла и возможный апоптоз . [13]

Повторная репликация может быть экспериментально вызвана одновременным нарушением нескольких механизмов, которые предотвращают повторное лицензирование происхождения. Например, дерегуляция механизмов ORC, MCM2-7 и Cdc6 может вызвать повторную репликацию в почкующихся дрожжевых клетках. [14]

Примечание: Последние данные свидетельствуют о том, что, хотя механизмы множественной регуляции репликации и перекрываются, их не следует считать функционально избыточными; хотя один механизм может подавлять повторную репликацию с эффективностью более 99%, этого может быть недостаточно для поддержания стабильности генома на протяжении многих поколений. [15] Вместо этого [ кем? ] считается, что мультипликативный эффект множества перекрывающихся механизмов в достаточной степени предотвращает повторную репликацию и обеспечивает верную передачу генома клетки.

Предотвращение повторной репликации

Клетки со стрессом репликации активируют контрольные точки репликации, так что S-фаза задерживается и замедляет переход в фазу G2/M. Когда репликативный стресс распознается клетками U-2-OS, линиями клеток остеосаркомы человека с диким типом ретинобластомы (RB) и p53, активируется регулируемая ATM/ATR сеть повреждения ДНК. [16] Этот ответ контрольной точки активируется из-за сверхэкспрессии циклина E, который, как было показано, важен для регуляции системы лицензирования. [17] Когда циклин E сверхэкспрессируется в линиях клеток U-2-OS, регулируемая ATM/ATR сеть повреждения ДНК приводит к увеличению фосфорилированного по Ser 15 p53, γ-H2AX и фосфорилированного по Ser 966 когезина SMC1. [16] Ответ на повторную репликацию ДНК отличается от ответа, принимаемого при повреждении из-за генерации кислородных радикалов. Повреждение, вызванное образованием радикалов кислорода, приводит к ответной реакции онкогена Myc, который фосфорилирует p53 и H2AX. [16]

Сеть повреждений ДНК ATM/ATR также будет реагировать на случаи, когда наблюдается сверхэкспрессия Cdt1. Сверхэкспрессия Cdt1 приводит к накоплению одноцепочечной ДНК и двуцепочечных разрывов. Атаксия-телеангиэктазия и связанный с Rad3 (ATR) активируется раньше, когда обнаруживает одноцепочечную ДНК на ранних стадиях повторной репликации ДНК. ATR фосфорилирует факторы репликации ниже по течению, такие как RPA2 и MCM2, или посредством модуляции Rb или p53. Атаксия-телеангиэктазия-мутант (ATM) активируется после того, как на более поздних стадиях повторной репликации ДНК обнаруживается большее количество двуцепочечных разрывов. Хотя ATM играет роль в остановке клеточного цикла, апоптозе и старении, предполагается, что он также играет роль в опосредовании восстановления двуцепочечных разрывов, но точные механизмы пока не изучены. [11]

Повторная репликация при раке

Повторная репликация была вовлечена в онкогенез в модельных организмах и людях . Белки инициации репликации сверхэкспрессируются в образцах тканей из нескольких типов рака человека [1] [18] [19] , а экспериментальная сверхэкспрессия Cdt1 и Cdc6 может вызвать развитие опухолей в клетках мышей. [20] [21] [22] Аналогичным образом сообщалось, что абляция Geminin у нокаутных мышей усиливает образование опухолей. [23] Кроме того, эти исследования показывают, что повторная репликация может привести к увеличению анеуплоидии , слияниям хромосом и разрывам ДНК. [24] Глубокое понимание регуляторных механизмов репликации важно для разработки новых методов лечения рака.

У дрожжей повышенная активность G1 CDK обычно подавляет сборку пре-RC и вход в S-фазу с менее активными ориджинами, но в раковых клетках пути p53 и Rb/E2F дерегулированы и позволяют входить в S-фазу с уменьшенным количеством активных ориджинов. Это приводит к двухцепочечным разрывам в ДНК, повышенной рекомбинации и неправильной организации хромосом. Механизм, посредством которого происходит это повреждение, до сих пор неизвестен. Одна из возможностей заключается в том, что сниженная активация ориджина приводит к неполной репликации ДНК. Значительная повторная репликация наблюдается только тогда, когда все регуляторные пути CDK ингибированы. [25]

В клетках млекопитающих Cdt1 и Cdc6 гораздо важнее для регуляции повторной репликации. [25] Сверхэкспрессия Cdt1 и Cdc6 была обнаружена в 43/75 случаях немелкоклеточной карциномы легких. [11] Нацеливание Cdc6 или ORC в клетках млекопитающих не вызывает существенной повторной репликации. С другой стороны, сверхэкспрессия Cdt1 может сама по себе привести к потенциально летальным уровням повторной репликации. Этот ответ наблюдается только в раковых клетках. [25] Сверхэкспрессия членов семейства E2F способствует увеличению экспрессии Cdt1 и Cdc6. Потеря регуляции p53 в клетках также часто наблюдается в клеточных линиях, которые сверхэкспрессируют Cdt1 или Cdc6. [11]

Эндоредупликация

Для особого случая клеточного цикла-регулируемой репликации ДНК, в котором синтез ДНК не связан с прогрессией клеточного цикла, см. эндоредупликацию . Эндоредупликация является важным и широко распространенным механизмом во многих типах клеток. Она не придерживается многих контрольных точек клеточного цикла и контроля повреждений в регулярно делящихся клетках, но она не приводит к неконтролируемой повторной репликации. Эндоредупликация является контролируемым процессом и происходит для выполнения определенной функции клетки. В некоторых клетках было предложено, что эндоредупликация используется как способ хранения нуклеотидов для эмбриогенеза и прорастания. В других случаях эндоредупликация может использоваться в клетках, которые используются только для хранения питательных веществ. Несмотря на ее полезное функционирование во многих клетках, эндоредупликация также наблюдалась в раковых клетках, и не полностью понятно, приводит ли эндоредупликация к раковому поведению или другие мутации приводят к эндоредупликации. Другие механизмы могут быть вовлечены в опосредование этих изменений. [26]

Ссылки

  1. ^ abcdefgh Ариас EE, Уолтер JC (март 2007). «Сила в численности: предотвращение повторной репликации посредством множественных механизмов в эукариотических клетках». Гены и развитие . 21 (5): 497–518 . doi : 10.1101/gad.1508907 . PMID  17344412.
  2. ^ ab Truong LN, Wu X (февраль 2011 г.). «Предотвращение повторной репликации ДНК в эукариотических клетках». Журнал молекулярной клеточной биологии . 3 (1): 13– 22. doi :10.1093/jmcb/mjq052. PMC 3030972. PMID  21278447 . 
  3. ^ Морган, Д.О. (2007). Клеточный цикл: принципы контроля. New Science Press.
  4. ^ Cvetic CA, Walter JC (январь 2006 г.). «Получение контроля над лицензированием: механизм стабильной загрузки Mcm2-7 в точки начала репликации». Molecular Cell . 21 (2): 143– 4. doi : 10.1016/j.molcel.2006.01.003 . PMID  16427002.
  5. ^ abcdef Морган, Дэвид О. (2007). Клеточный цикл: принципы управления . Oxford University Press. ISBN 978-0-87893-508-6.[ нужна страница ]
  6. ^ Белл СП, Дутта А (2002). «Репликация ДНК в эукариотических клетках». Annual Review of Biochemistry . 71 : 333–74 . doi :10.1146/annurev.biochem.71.110601.135425. PMID  12045100.
  7. ^ Broek D, Bartlett R, Crawford K, Nurse P (январь 1991). «Участие p34cdc2 в установлении зависимости S-фазы от митоза». Nature . 349 (6308): 388–93 . Bibcode :1991Natur.349..388B. doi :10.1038/349388a0. PMID  1992340. S2CID  4263847.
  8. ^ Hayles J, Fisher D, Woollard A , Nurse P (сентябрь 1994 г.). «Временной порядок S-фазы и митоза у делящихся дрожжей определяется состоянием комплекса p34cdc2-митотический B-циклин». Cell . 78 (5): 813– 22. doi :10.1016/S0092-8674(94)90542-8. PMID  8087848. S2CID  7449103.
  9. ^ Diffley JF, Cocker JH, Dowell SJ, Rowley A (июль 1994 г.). «Два шага в сборке комплексов в точках начала репликации дрожжей in vivo». Cell . 78 (2): 303– 16. doi :10.1016/0092-8674(94)90299-2. PMID  8044842. S2CID  44884064.
  10. ^ Blow JJ, Laskey RA (апрель 1988). "Роль ядерной оболочки в контроле репликации ДНК в клеточном цикле". Nature . 332 (6164): 546– 8. Bibcode :1988Natur.332..546B. doi :10.1038/332546a0. PMID  3357511. S2CID  4313693.
  11. ^ abcd Лан Н. Труонг, Сяохуа Ву; Предотвращение повторной репликации ДНК в эукариотических клетках, Журнал молекулярной клеточной биологии, том 3, выпуск 1, 1 февраля 2011 г., страницы 13–22
  12. ^ Green BM, Li JJ (январь 2005 г.). «Потеря контроля повторной репликации в Saccharomyces cerevisiae приводит к обширным повреждениям ДНК». Молекулярная биология клетки . 16 (1): 421– 32. doi :10.1091/mbc.E04-09-0833. PMC 539184. PMID  15537702 . 
  13. ^ Archambault V, Ikui AE, Drapkin BJ, Cross FR (август 2005 г.). «Нарушение механизмов, которые предотвращают повторную репликацию, запускает реакцию на повреждение ДНК». Molecular and Cellular Biology . 25 (15): 6707– 21. doi :10.1128/MCB.25.15.6707-6721.2005. PMC 1190345 . PMID  16024805. 
  14. ^ Nguyen VQ, Co C, Li JJ (июнь 2001 г.). «Циклинзависимые киназы предотвращают повторную репликацию ДНК посредством множественных механизмов». Nature . 411 (6841): 1068– 73. Bibcode :2001Natur.411.1068N. doi :10.1038/35082600. PMID  11429609. S2CID  4393812.
  15. ^ Green BM, Morreale RJ, Ozaydin B, Derisi JL, Li JJ (май 2006 г.). «Полногеномное картирование синтеза ДНК в Saccharomyces cerevisiae показывает, что механизмы, предотвращающие повторную инициацию репликации ДНК, не являются избыточными». Молекулярная биология клетки . 17 (5): 2401– 14. doi :10.1091/mbc.E05-11-1043. PMC 1446083. PMID  16481397 . 
  16. ^ abc Барткова Дж., Хоржейши З., Коед К., Кремер А., Торт Ф., Цигер К., ... и Орнтофт Т. (2005). Реакция на повреждение ДНК как кандидат в противораковый барьер на ранних стадиях онкогенеза человека. Природа, 434(7035), 864.
  17. ^ Блоу, Дж. Дж. и Дутта, А. (2005). Предотвращение повторной репликации хромосомной ДНК. Nature reviews Molecular cell biology, 6(6), 476.
  18. ^ Blow JJ, Gillespie PJ (октябрь 2008 г.). «Лицензирование репликации и рак — фатальная путаница?». Nature Reviews. Рак . 8 (10): 799– 806. doi :10.1038/nrc2500. PMC 2577763. PMID  18756287 . 
  19. ^ Gonzalez MA, Tachibana KE, Laskey RA, Coleman N (февраль 2005 г.). «Контроль репликации ДНК и его потенциальное клиническое использование». Nature Reviews. Cancer . 5 (2): 135– 41. doi :10.1038/nrc1548. PMID  15660109. S2CID  22492421.
  20. ^ Arentson E, Faloon P, Seo J, Moon E, Studts JM, Fremont DH, Choi K (февраль 2002 г.). «Онкогенный потенциал белка CDT1, лицензионного для репликации ДНК». Oncogene . 21 (8): 1150– 8. doi :10.1038/sj.onc.1205175. PMID  11850834.
  21. ^ Лионтос М, Кутсами М, Сидериду М, Евангелу К, Клетсас Д, Леви Б, Коцинас А, Наум О, Зумпурлис В, Кулукусса М, Лигероу З, Таравирас С, Киттас С, Барткова Дж, Папавассилиу А.Г., Бартек Дж, Халазонетис Т.Д., Горгулис В.Г. (ноябрь 2007 г.). «Дерегулированная сверхэкспрессия hCdt1 и hCdc6 способствует злокачественному поведению». Исследования рака . 67 (22): 10899–909 . doi : 10.1158/0008-5472.CAN-07-2837 . hdl : 10442/7319 . ПМИД  18006835.
  22. ^ Seo J, Chung YS, Sharma GG, Moon E, Burack WR, Pandita TK, Choi K (декабрь 2005 г.). «Трансгенные мыши Cdt1 развивают лимфобластную лимфому при отсутствии p53». Oncogene . 24 (55): 8176– 86. doi :10.1038/sj.onc.1208881. PMID  16261166.
  23. ^ Чамперис Цанирас С., Виллиу М., Джанну А.Д., Нику С., Петропулос М., Патерас И.С., Цероу П., Каруси Ф., Лалиоти М.Е., Горгулис В.Г., Патманиди А.Л., Статопулос Г.Т., Браву В., Лигероу З., Таравирас С. (2018). «Аблация гемининов in vivo усиливает онкогенез за счет повышенной нестабильности генома». Журнал патологии . 246 (2): 134–140 . doi :10.1002/path.5128. PMID  29952003. S2CID  49474213.
  24. ^ Хук СС, Лин ДжДж, Дутта А (декабрь 2007 г.). «Механизмы контроля повторной репликации и их влияние на рак». Current Opinion in Cell Biology . 19 (6): 663–71 . doi :10.1016/j.ceb.2007.10.007. PMC 2174913. PMID  18053699 . 
  25. ^ abc Hills, SA, & Diffley, JF (2014). Репликация ДНК и репликативный стресс, вызванный онкогенами. Current biology, 24(10), R435-R444
  26. ^ Ли, ХО, Дэвидсон, Дж. М. и Дуронио, Р. Дж. (2009). Эндорепликация: полиплоидия с целью. Гены и развитие, 23(21), 2461-2477.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=DNA_re-replication&oldid=1215370448"