повторная репликация ДНК

ДНК Повторная репликация (или просто повторная репликация ) — нежелательное и, возможно, фатальное явление в эукариотических клетках , в которых геном реплицируется более одного раза за клеточный цикл . [ 1 ] Считается, что ререпликация приводит к геномной нестабильности и участвует в патологиях различных видов рака человека . [ 2 ] Чтобы предотвратить повторную репликацию, эукариотические клетки развили множество перекрывающихся механизмов, препятствующих частичной или полной повторной репликации хромосомной ДНК в данном клеточном цикле. Эти механизмы контроля основаны на активности циклинзависимой киназы (CDK). [ 1 ] Механизмы контроля репликации ДНК взаимодействуют, чтобы предотвратить повторное лицензирование источников репликации и активировать клеточный цикл и контрольные точки повреждения ДНК . [ 2 ] Ререпликация ДНК должна строго регулироваться, чтобы обеспечить достоверную передачу геномной информации из поколения в поколение.
Инициирование репликации в источниках
[ редактировать ]Репликация ДНК всегда начинается с точки начала репликации. У дрожжей ориджины содержат автономно реплицирующиеся последовательности (ARS), распределенные по всей хромосоме на расстоянии примерно 30 т.п.н. друг от друга. Они позволяют репликацию ДНК, где бы они ни находились. Длина каждого из них составляет 100–200 п.н., а элемент А является одним из наиболее консервативных участков. Наряду с другими консервативными B-элементами они образуют секцию, в которой собираются комплексы распознавания происхождения (ORC), чтобы начать репликацию. Повторение этих последовательностей может быть наиболее важным для распознавания происхождения.
В клетках животных источники репликации могут показаться случайными, расположенными по всей хромосоме, иногда даже действуя как ARS, но локальная структура хроматина играет большую роль в определении того, где будет происходить репликация. Начало репликации распределено по хромосоме неравномерно. Кластеры репликонов, содержащие 20-80 источников на кластер, активируются одновременно во время S-фазы. Хотя все они активируются во время S-фазы, гетерохроматин имеет тенденцию реплицироваться в поздней S-фазе, поскольку доступ к ним более труден, чем к эухроматину. Эпигенетические факторы также оказывают большое влияние на то, что и когда реплицируется. [ 3 ]
Лицензирование происхождения
[ редактировать ]Все известные механизмы, предотвращающие ререпликацию ДНК в эукариотических организмах, препятствуют лицензированию происхождения. [ 1 ] Лицензирование источника является предварительным шагом для нормальной инициации репликации во время поздней фазы G1 и ранней фазы S и включает в себя рекрутирование пререпликативного комплекса (пре-RC) к источникам репликации . Лицензирование начинается со связывания мультисубъединичной АТФазы , комплекса распознавания происхождения (ORC), с ДНК в точках начала репликации. [ 4 ] После связывания с хроматином ORC рекрутирует AAA+ АТФазу Cdc6 и спирального домена белок Cdt1 . Связывание Cdt1 и АТФазная активность ORC и Cdc6 облегчают загрузку белков поддержания минихромосомы (MCM) 2-7 на хроматин. [ 1 ] Комплекс MCM представляет собой ДНК-хеликазу , которая раскрывает спираль в начале репликации и раскручивает две цепи по мере продвижения репликационных вилок по ДНК. [ 5 ] Повышенная активность CDK в конце G1 запускает активацию ориджинов и демонтаж пре-RC. Высокие уровни CDK, которые сохраняются до конца митоза , ингибируют или разрушают компоненты pre-RC и предотвращают повторное лицензирование источника. Новый комплекс MCM не может быть загружен в начало до тех пор, пока субъединицы pre-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 источниках и предотвращает повторную репликацию путем ингибирования повторного лицензирования источника. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] Это гарантирует, что ни один источник репликации не сработает дважды в одном и том же клеточном цикле. [ 5 ]
Двухуровневая модель регуляции репликации ДНК
[ редактировать ]

Ранние экспериментальные данные о регуляции репликации ДНК позволяют предположить, что источники репликации существуют в одном из двух состояний во время клеточного цикла: пререпликативном состоянии в G1 и пострепликативном состоянии с момента инициации до прохождения митоза. [ 1 ] Истоки репликации чередуются между этими двумя разными состояниями в течение клеточного цикла. [ 9 ] Фактор лицензирования , необходимый для инициации репликации, привязывается к источникам в пререпликативном состоянии. При переходе G1/S фактор инактивируется и не может быть восстановлен до завершения клеточного цикла. [ 10 ] Идентификация и характеристика белков комплекса ORC, Cdc6, Cdt1 и MCM в качестве фактора лицензирования подтверждает эту модель и предлагает средства, с помощью которых колебательный характер CDK в клеточном цикле может регулировать повторную репликацию. [ 1 ]
Регуляция репликации
[ редактировать ]Почкующиеся дрожжи
[ редактировать ]Регуляция ререпликации лучше всего понятна у почкующихся дрожжей. Клетки Saccharomyces cerevisiae предотвращают ререпликацию, напрямую регулируя сборку пре-RC посредством CDK-опосредованного фосфорилирования компонентов пре-RC Cdc6, MCM2-7 и субъединиц ORC. [ 5 ] Фосфорилирование этих компонентов инициируется в начале S-фазы и поддерживается на протяжении всего оставшегося клеточного цикла, поскольку активность CDK остается высокой. Фосфорилированный Cdc6 связывается убиквитин-протеиновой лигазой SCF, что приводит к его протеолитической деградации . CDK-зависимое фосфорилирование белков MCM2-7 приводит к экспорту комплекса из ядра . (Cdt1, который связывается с комплексом MCM, аналогичным образом экспортируется из ядра). Фосфорилирование субъединиц ORC, по-видимому, нарушает способность ORC связывать другие компоненты pre-RC. [ 5 ] Таким образом, множественные механизмы гарантируют, что пре-РК не может быть повторно собран в пострепликативном источнике.
Примечание. Поскольку источники активируются в разное время на протяжении S-фазы, крайне важно, чтобы ингибирующие механизмы, которые предотвращают рекрутирование новых MCM2-7, не дестабилизировали существующие pre-RCs. Pre-RC могут оставаться собранными в ориджинах, которые не активировались, даже несмотря на то, что механизмы ингибирования ререпликации ингибируют или разрушают компоненты pre-RC.
Другие организмы
[ редактировать ]Хотя регуляция сборки pre-RC CDK, по-видимому, высоко эволюционно консервативна , отмечаются некоторые различия между организмами. У многоклеточных эукариот сборка пре-РК регулируется комплексом, способствующим анафазе (APC), в дополнение к CDK. APC, фермент E3 , убиквитинирует белок геминин и направляет его на деградацию. [ 5 ] Геминин обычно предотвращает лицензирование происхождения путем связывания и ингибирования Cdt1. 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 за счет E2F-опосредованной активации транскрипции и связывания ацетилазы человека с Orc1. Протеолитическая деградация Cdt1 также является консервативным механизмом у различных эукариот более высокого порядка. Cdt1 разлагается посредством убиквитинлигазного комплекса E3 Cul4-Ddb1-Cdt2, так что контроль лицензирования ДНК сохраняется в S и G2. Cdt1 является важным регуляторным белком, и эволюция привела к разным путям регуляции у разных организмов. Сверхэкспрессия Cdt1 или инактивация Geminin может привести к повторной репликации, поскольку недеградированный Cdt1 будет индуцировать сборку pre-RC. [ 11 ]
Регуляция Pre-RC у большинства животных до сих пор недостаточно изучена. [ 5 ]
Последствия ререпликации в эукариотических клетках
[ редактировать ]Ререпликация и митотическая недостаточность обычно не являются запрограммированными событиями, а скорее возникают спонтанно в результате дефектов механизма клеточного цикла. [ 1 ] Ререпликация, по-видимому, приводит к разрывам дцДНК, которые запускают реакцию повреждения ДНК и арестовывают клетки в G2. [ 12 ] Контрольная точка эффективно вызывает необратимую остановку клеточного цикла и возможный апоптоз . [ 13 ]
Ререпликацию можно экспериментально вызвать, одновременно нарушив несколько механизмов, предотвращающих повторное лицензирование происхождения. Например, дерегуляция механизмов ORC, MCM2-7 и Cdc6 может вызывать ререпликацию в почкующихся дрожжевых клетках. [ 14 ]
Примечание. Недавние данные свидетельствуют о том, что, несмотря на перекрытие, механизмы регуляции множественной репликации не следует рассматривать как функционально избыточные; хотя один механизм может подавлять ререпликацию с эффективностью более 99%, этого может быть недостаточно для поддержания стабильности генома на протяжении многих поколений. [ 15 ] Вместо этого считается [ кем? ] что мультипликативный эффект многих перекрывающихся механизмов в достаточной степени предотвращает повторную репликацию и обеспечивает точную передачу клеточного генома .
Предотвращение репликации
[ редактировать ]Клетки с репликационным стрессом активируют контрольные точки репликации, так что фаза S задерживается и замедляет переход к фазе G2/M. Когда репликативный стресс распознается клетками U-2-OS, клеточными линиями остеосаркомы человека с ретинобластомой дикого типа (RB) и p53, активируется сеть повреждений ДНК, регулируемая ATM/ATR. [ 16 ] Эта реакция контрольной точки активируется из-за сверхэкспрессии циклина Е, который, как было показано, играет важную роль в регулировании системы лицензирования. [ 17 ] Когда циклин E сверхэкспрессируется в клеточных линиях U-2-OS, сеть повреждений ДНК, регулируемая ATM/ATR, приводит к увеличению Ser 15-фосфорилированного p53, γ-H2AX и Ser 966-фосфорилированного когезина SMC1. [ 16 ] Реакция повторной репликации ДНК отличается от реакции, возникающей в случае повреждения, вызванного генерацией кислородных радикалов. Повреждение от генерации кислородных радикалов приводит к реакции онкогена Myc, который фосфорилирует p53 и H2AX. [ 16 ]
Сеть повреждения ДНК ATM/ATR также будет реагировать на случаи сверхэкспрессии Cdt1. Сверхэкспрессия Cdt1 приводит к накоплению оцДНК и DSB. Телеангиэктазия атаксии и связанная с Rad3 (ATR) активируется раньше, когда обнаруживает оцДНК на более ранних фазах ререпликации ДНК. ATR фосфорилирует нижестоящие факторы репликации, такие как RPA2 и MCM2, или посредством модуляции Rb или p53. Мутационная атаксия телеангиэктазии (АТМ) активируется после обнаружения большего количества DSB на более поздних стадиях ререпликации ДНК. Хотя ATM играет роль в остановке клеточного цикла, апоптозе и старении, предполагается, что он также играет роль в репарации DSB, но точные механизмы еще не изучены. [ 11 ]
Ререпликация при раке
[ редактировать ]Ререпликация участвует в онкогенезе у модельных организмов и человека . Белки инициации репликации сверхэкспрессируются в образцах тканей нескольких типов рака человека. [ 1 ] [ 18 ] [ 19 ] а экспериментальная сверхэкспрессия Cdt1 и Cdc6 может вызвать развитие опухоли в клетках мыши. [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] Аналогичным образом, сообщалось, что абляция геминина у нокаутных мышей усиливает образование опухолей. [ 23 ] Кроме того, эти исследования показывают, что повторная репликация может привести к увеличению анеуплоидии , слиянию хромосом и разрывам ДНК. [ 24 ] Тщательное понимание механизмов регуляторной репликации важно для разработки новых методов лечения рака.
У дрожжей повышенная активность G1 CDK обычно ингибирует сборку пре-RC и вход в S-фазу с менее активными источниками, но в раковых клетках пути p53 и Rb/E2F дерегулируются и позволяют входить в S-фазу с уменьшенным количеством активного происхождения. Это приводит к двухцепочечным разрывам ДНК, усилению рекомбинации и неправильному расположению хромосом. Механизм возникновения этого повреждения до сих пор неизвестен. Одна из возможностей заключается в том, что снижение активации источника приводит к неполной репликации ДНК. Значительная повторная репликация наблюдается только тогда, когда все пути регуляции CDK ингибируются. [ 25 ]
В клетках млекопитающих Cdt1 и Cdc6 гораздо более важны для регуляции повторной репликации. [ 25 ] Сверхэкспрессия Cdt1 и Cdc6 была обнаружена в 43/75 случаях немелкоклеточного рака легких. [ 11 ] Нацеливание на Cdc6 или ORC в клетки млекопитающих не вызывает существенной повторной репликации. С другой стороны, сверхэкспрессия Cdt1 сама по себе может 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. Утрату регуляции р53 в клетках также часто можно наблюдать в клеточных линиях, которые сверхэкспрессируют Cdt1 или Cdc6. [ 11 ]
Эндодупликация
[ редактировать ]Особый случай репликации ДНК, регулируемой клеточным циклом, при котором синтез ДНК не связан с развитием клеточного цикла, называется эндоредупликацией . Эндоредупликация является важным и широко распространенным механизмом во многих типах клеток. Он не соответствует многим контрольным точкам клеточного цикла и контролю повреждений в регулярно делящихся клетках, но не приводит к неконтролируемой повторной репликации. Эндоредупликация представляет собой контролируемый процесс и происходит для выполнения определенной функции клетки. Было высказано предположение, что в некоторых клетках эндоредупликация используется как способ хранения нуклеотидов для эмбриогенеза и прорастания. В других случаях эндоредупликацию можно использовать в клетках, которые используются только для хранения питательных веществ. Несмотря на полезное функционирование во многих клетках, эндоредупликация также наблюдалась в раковых клетках, и до конца не понятно, приводит ли эндоредупликация к раковому поведению или другие мутации приводят к эндоредупликации. В опосредовании этих изменений могут быть задействованы и другие механизмы. [ 26 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час Ариас Э.Э., Уолтер Дж.К. (март 2007 г.). «Сила в цифрах: предотвращение повторной репликации с помощью нескольких механизмов в эукариотических клетках» . Гены и развитие . 21 (5): 497–518. дои : 10.1101/gad.1508907 . ПМИД 17344412 .
- ^ Перейти обратно: а б Труонг Л.Н., Ву X (февраль 2011 г.). «Предотвращение повторной репликации ДНК в эукариотических клетках» . Журнал молекулярно-клеточной биологии . 3 (1): 13–22. дои : 10.1093/jmcb/mjq052 . ПМК 3030972 . ПМИД 21278447 .
- ^ Морган, DO (2007). Клеточный цикл: принципы управления. Новая научная пресса.
- ^ Цветик К.А., Уолтер Дж.К. (январь 2006 г.). «Разбираемся в лицензировании: механизм стабильной загрузки Mcm2-7 на источники репликации» . Молекулярная клетка . 21 (2): 143–4. doi : 10.1016/j.molcel.2006.01.003 . ПМИД 16427002 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Морган, Дэвид О. (2007). Клеточный цикл: принципы управления . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-87893-508-6 . [ нужна страница ]
- ^ Белл С.П., Дутта А. (2002). «Репликация ДНК в эукариотических клетках». Ежегодный обзор биохимии . 71 : 333–74. doi : 10.1146/annurev.biochem.71.110601.135425 . ПМИД 12045100 .
- ^ Брук Д., Бартлетт Р., Кроуфорд К., Медсестра П. (январь 1991 г.). «Участие p34cdc2 в установлении зависимости S-фазы от митоза». Природа . 349 (6308): 388–93. Бибкод : 1991Natur.349..388B . дои : 10.1038/349388a0 . ПМИД 1992340 . S2CID 4263847 .
- ^ Хейлс Дж., Фишер Д., Вуллард А. , Медсестра П. (сентябрь 1994 г.). «Временной порядок S-фазы и митоза у делящихся дрожжей определяется состоянием комплекса p34cdc2-митотический B-циклин». Клетка . 78 (5): 813–22. дои : 10.1016/S0092-8674(94)90542-8 . ПМИД 8087848 . S2CID 7449103 .
- ^ Диффли Дж. Ф., Кокер Дж. Х., Доуэлл С. Дж., Роули А. (июль 1994 г.). «Два этапа сборки комплексов в точках начала репликации дрожжей in vivo». Клетка . 78 (2): 303–16. дои : 10.1016/0092-8674(94)90299-2 . ПМИД 8044842 . S2CID 44884064 .
- ^ Блоу Джей-Джей, Ласки Р.А. (апрель 1988 г.). «Роль ядерной оболочки в контроле репликации ДНК в клеточном цикле». Природа . 332 (6164): 546–8. Бибкод : 1988Natur.332..546B . дои : 10.1038/332546a0 . ПМИД 3357511 . S2CID 4313693 .
- ^ Перейти обратно: а б с д 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.
- ^ Грин Б.М., Ли Джей-Джей (январь 2005 г.). «Потеря контроля ререпликации у Saccharomyces cerevisiae приводит к обширному повреждению ДНК» . Молекулярная биология клетки . 16 (1): 421–32. doi : 10.1091/mbc.E04-09-0833 . ПМК 539184 . ПМИД 15537702 .
- ^ Аршамбо В., Икуи А.Е., Драпкин Б.Дж., Кросс ФР (август 2005 г.). «Нарушение механизмов, предотвращающих повторную репликацию, запускает реакцию повреждения ДНК» . Молекулярная и клеточная биология . 25 (15): 6707–21. дои : 10.1128/MCB.25.15.6707-6721.2005 . ПМК 1190345 . ПМИД 16024805 .
- ^ Нгуен VQ, Co C, Ли JJ (июнь 2001 г.). «Циклин-зависимые киназы предотвращают повторную репликацию ДНК с помощью нескольких механизмов». Природа . 411 (6841): 1068–73. Бибкод : 2001Natur.411.1068N . дои : 10.1038/35082600 . ПМИД 11429609 . S2CID 4393812 .
- ^ Грин Б.М., Морреале Р.Дж., Озайдин Б., Дериси Дж.Л., Ли Дж.Дж. (май 2006 г.). «Полногеномное картирование синтеза ДНК у Saccharomyces cerevisiae показывает, что механизмы, предотвращающие повторное инициирование репликации ДНК, не являются избыточными» . Молекулярная биология клетки . 17 (5): 2401–14. дои : 10.1091/mbc.E05-11-1043 . ПМК 1446083 . ПМИД 16481397 .
- ^ Перейти обратно: а б с 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.
- ^ Блоу, Джей-Джей, и Датта, А. (2005). Предотвращение повторной репликации хромосомной ДНК. Обзоры природы Молекулярно-клеточная биология, 6 (6), 476.
- ^ Блоу Джей-Джей, Гиллеспи Пи Джей (октябрь 2008 г.). «Лицензирование репликации и рак – фатальная запутанность?» . Обзоры природы. Рак . 8 (10): 799–806. дои : 10.1038/nrc2500 . ПМЦ 2577763 . ПМИД 18756287 .
- ^ Гонсалес М.А., Татибана К.Е., Ласки Р.А., Коулман Н. (февраль 2005 г.). «Контроль репликации ДНК и его потенциальное клиническое использование». Обзоры природы. Рак . 5 (2): 135–41. дои : 10.1038/nrc1548 . ПМИД 15660109 . S2CID 22492421 .
- ^ Арентсон Э., Фалун П., Со Дж., Мун Э., Стадтс Дж.М., Фремонт Д.Х., Чой К. (февраль 2002 г.). «Онкогенный потенциал белка CDT1, лицензирующего репликацию ДНК». Онкоген . 21 (8): 1150–8. дои : 10.1038/sj.onc.1205175 . ПМИД 11850834 .
- ^ 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 К, Барткова Дж, Папавассилиу А.Г., Бартек Дж, Халазонетис ТД , Горгулис В.Г. (ноябрь 2007 г.). «Дерегулированная сверхэкспрессия hCdt1 и hCdc6 способствует злокачественному поведению» . Исследования рака . 67 (22): 10899–909. дои : 10.1158/0008-5472.CAN-07-2837 . hdl : 10442/7319 . ПМИД 18006835 .
- ^ Со Дж., Чунг Ю.С., Шарма Г.Г., Мун Э, Бурак В.Р., Пандита Т.К., Чхве К. (декабрь 2005 г.). «У трансгенных мышей Cdt1 развивается лимфобластная лимфома в отсутствие p53». Онкоген . 24 (55): 8176–86. дои : 10.1038/sj.onc.1208881 . ПМИД 16261166 .
- ^ 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 геномной нестабильности». Журнал патологии . 246 (2): 134–140. дои : 10.1002/путь.5128 . ПМИД 29952003 . S2CID 49474213 .
- ^ Хук С.С., Лин Дж.Дж., Датта А. (декабрь 2007 г.). «Механизмы контроля ререпликации и последствия рака» . Современное мнение в области клеточной биологии . 19 (6): 663–71. дои : 10.1016/j.ceb.2007.10.007 . ПМК 2174913 . ПМИД 18053699 .
- ^ Перейти обратно: а б с Хиллз, С.А., и Диффли, Дж. Ф. (2014). Репликация ДНК и репликативный стресс, индуцированный онкогенами. Текущая биология, 24(10), R435-R444.
- ^ Ли, Х.О., Дэвидсон, Дж.М., и Дуронио, Р.Дж. (2009). Эндорепликация: целенаправленная полиплоидия. Гены и развитие, 23(21), 2461-2477.