Повторна репликација на ДНК

Од Википедија — слободната енциклопедија
Преглед на нормалното дуплирање на хромозомите во клеточниот циклус

Повторната репликација на ДНК е непосакувана и фатална појава во еукариотските клетки во кои геномот се реплицира повеќе од еднаш по клеточен циклус.[1] Се верувало дека повторната репликација води до геномска нестабилност и е вмешана во патологиите на различни видови рак кај луѓето.[2] За да се спречи повторната репликација, еукариотските клетки еволуирале повеќе, преклопувачки механизми за да ја инхибираат хромозомската ДНК делумно или целосно да се реплицира во даден клеточен циклус. Овие контролни механизми се потпирале на активноста на киназа зависна од циклин (CDK).[1] Механизмите за контрола на репликацијата на ДНК тие соработувале за да спречат релиценцирање на потеклото на репликацијата и да ги активираат контролните точки на клеточниот циклус и оштетувањето на ДНК.[2]

Иницирање на репликација на потекло[уреди | уреди извор]

Репликацијата на ДНК секогаш започнувала со потеклото на репликацијата. Кај квасецот, потеклото содржело автономно реплицирачки секвенци (ARS), кои биле распоредени низ хромозомот на околу 30 kb едни од други. Тие овозможувале репликација на ДНК каде и да биле поставени. Секој од нив бил долг 100-200 bp, а елементот А бил еден од најзачуваните протегања. Заедно со другите конзервирани Б елементи, тие го формирале делот каде што ORC се собирале за да започнат со репликација. Повторувањето на овие секвенци можело да биде најважно за препознавање на потеклото.

Во животинските клетки, потеклото на репликацијата можело да изгледа како случајно да е поставено низ хромозомот, понекогаш дури и како ARS, но локалната структура на хроматин играла голема улога во одредувањето каде ќе се случува репликацијата. Потеклото на репликацијата не било рамномерно распоредено низ хромозомот. Репликонските кластери, кои што содржеле 20-80 почетоци по кластер, се активирале во исто време во фазата S. Иако сите тие биле активирани за време на S фаза, хетерохроматинот имал тенденција да се реплицира во доцната S фаза, бидејќи било потешко да им се пристапи од еухроматинот. Епигенетските фактори исто така имале големо влијание врз тоа што се реплицира и кога.[3]

Лиценцирање за потекло[уреди | уреди извор]

Сите познати механизми кои спречувале репликација на ДНК кај еукариотските организми го инхибирале лиценцирањето за потекло.[1] Лиценцирањето за потекло бил прелиминарен чекор за нормално започнување на репликацијата за време на доцната G1 и раната S фаза и вклучувало регрутирање на пред-репликативниот комплекс (пред-RC) до потеклото на репликацијата. Лиценцирањето започнувало со врзување на мулти-судединицата ATPase, комплексот за препознавање на потекло (ORC), за ДНК на потеклото на репликацијата.[4] Откако ќе се сврзело за хроматин, ORC ги регрутирал AAA+ ATP-азата Cdc6 и протеинот на доменот со свиткана намотка Cdt1. Врзувањето на Cdt1 и активноста на ATP-аза на ORC и Cdc6 го олеснувало вчитувањето на протеините за одржување на минихромозомот (MCM) 2-7 на хроматинот.[1] Комплексот MCM е ДНК хеликаза што ја отворало спиралата на почетокот на репликацијата и ги одмотувало двете нишки додека вилушките за репликација патувале долж ДНК. Зголемената активност на ЦДК на крајот од G1 предизвикувала пукање на потеклото и демонтирање на пред-РК. Високите нивоа на CDK, кои се одржувале до крајот на митозата, ги инхибирало или уништувало компонентите пред-RC и го спречувало повторното лиценцирање на потеклото. Нов MCM комплекс не можело да се вчита на потеклото додека пред-RC подединиците не се реактивирале со опаѓање на активноста на CDK на крајот на митозата.[5][6][7]

Модел со две состојби за регулација на репликација на ДНК[уреди | уреди извор]

S. cerevisiae потекло во предрепликативна состојба. Склопувањето на пред-репликативниот комплекс (пред-РЦ) го подготвува потеклото за отпуштање.
S. cerevisiae потекло во пострепликативна состојба. Фосфорилацијата со посредство на CDK на пред-RC компонентите го спречува потеклото од повторно лиценцирање.

Раните експериментални докази за регулирање на репликацијата на ДНК сугерирале дека потеклото на репликацијата постоело во една од двете состојби во текот на клеточниот циклус: пререпликативната состојба во G1 и пострепликативната состојба од моментот на иницијација до преминување низ митозата.[1] Потеклото на репликацијата наизменично се менувало помеѓу овие две различни состојби во текот на клеточниот циклус.[8] Факторот за лиценцирање кој бил потребен за започнување на репликацијата се врзувал за потеклото во предрепликативната состојба. При транзиција G1/S, факторот бил деактивиран и не можел да се врати додека не заврши клеточниот циклус.[9] Идентификацијата и карактеризацијата на протеините на ORC, Cdc6, Cdt1 и MCM комплексот како фактор за лиценцирање му давал доверба на овој модел и сугерирал средство со кое може да ја регулира репликацијата.[1]

Регулација на репликација[уреди | уреди извор]

Младиот квасец[уреди | уреди извор]

Регулацијата на повторна репликација најдобро се разбирала кај квасецот кој пука. Клетките на Saccharomyces cerevisiae ја спречувале репликацијата со регулирање на пред-RC спојувањето преку CDK-посредуваната фосфорилација на пред-RC компонентите Cdc6, MCM2-7 и ORC подединици.[10] Фосфорилацијата на овие компоненти започнувала на почетокот на S фазата и се одржувала во текот на остатокот од клеточниот циклус бидејќи активноста на CDK останувала висока. Фосфорилираниот Cdc6 бил врзан со убиквитин-протеинската лигаза SCF што довело до негова протеолитичка деградација. CDK-зависната фосфорилација на MCM2-7 протеините резултирала со извоз на комплексот од јадрото. (Cdt1 кој се поврзувал со комплексот MCM на сличен начин се извезувал од јадрото). Фосфорилацијата на ORC подединиците веројатно ја нарушувало способноста на ORC да ги врзува другите пред-RC компоненти.[10] Така, повеќе механизми гарантирале дека пред-RC не може повторно да се состави на пострепликативно потекло.

Забелешка: Бидејќи почетоците биле активирани во различни периоди во текот на S фазата, од клучно значење е инхибиторните механизми што спречувале ново регрутирање на MCM2-7 да не ги дестабилизираат постоечките пред-RC. Pre-RC можеле да останат склопени на почетоци кои не се активирале, иако механизмите за инхибиција на повторна репликација ги инхибирале или уништувале компонентите пред-RC.

Други организми[уреди | уреди извор]

Иако CDK регулацијата на пред-RC склопувањето се чинело дека е високо еволутивно зачувана, биле забележани некои разлики меѓу организмите. Кај повеќеклеточните еукариоти, пред-RC склопот бил регулиран со комплексот за промовирање на анафазата (APC) покрај CDKs. APC, ензим Е3, го убиквитинирал протеинот геминин и го таргетирал за разградување. Геминин нормално го спречувал лиценцирањето за потекло преку врзување и инхибиција на Cdt1. Во G1, активноста на APC била адекватна за да се потисне акумулацијата на геминин, а со тоа индиректно промовирајќи го пред-RC склопувањето.

Cdt1 обично се регулирал преку E2F-посредувана транскрипциска активација и со врзување на човечка ацетилаза за Orc1. Протеолитичката деградација на Cdt1 била зачуван механизам и кај различни еукариоти од повисок ред. Cdt1 се разградувал преку комплексот Cul4-Ddb1-Cdt2 E3 убиквитин лигаза, така што контролата на лиценцирањето на ДНК се одржувало во S и G2. Cdt1 бил важен регулаторен протеин, а еволуцијата довела до различни патишта на регулација кај различни организми. Прекумерното изразување на Cdt1 или инкактивирањето на Geminin можело да доведе до повторна репликација, бидејќи Cdt1 можел да предизвика пред-RC спојување.[11]

Регулацијата пред-РК кај повеќето животни сè уште не било добро разбрана.

Последици од повторна репликација во еукариотските клетки[уреди | уреди извор]

Повторната репликација и митотичната инсуфициенција генерално не се програмирани настани, туку се резултат спонтано од дефекти во механизмите на клеточниот циклус.[1] Повторната репликација се чини дека доведува до прекини на dsDNA што предизвикува одговор на оштетување на ДНК и ги апси клетките во G2.[12] Контролната точка ефективно предизвикува трајно запирање на клеточниот циклус и евентуална апоптоза.[13]

Повторната репликација може да биде експериментално предизвикана со истовремено нарушување на неколку механизми кои го спречуваат повторното лиценцирање на потеклото. На пример, дерегулацијата на механизмите на ORC, MCM2-7 и Cdc6 може да предизвика ререпликација во клетките на квасецот што се развива.[14]

Забелешка: Неодамнешните докази сугерирале дека иако се преклопуваат, механизмите за регулирање на повеќекратната репликација тие не треба да се сметаат за функционално непотребни; иако еден механизам може да ја потисне репликацијата со поголема од 99% ефикасност, можеби нема да биде доволен за одржување на стабилноста на геномот во текот на многу генерации.[15] Наместо тоа, се верувало дека мултипликативниот ефект на многу механизми што се преклопуваат е она што доволно ја спречувало повторната репликација и обезбедувало верен пренос на геномот на клетката.

Спречување на повторување[уреди | уреди извор]

Клетките со репликациски стрес ги активираат контролните точки за репликација така што S фазата е одложена и го забавува преминот кон фазата G2/M. Кога репликативниот стрес е препознаен од U-2-OS клетките, клеточните линии на човечки остеосарком со ретинобластом од див тип (RB) и p53, се активира мрежата за оштетување на ДНК регулирана со ATM/ATR.[16] Овој одговор на контролниот пункт се активира поради прекумерна експресија на циклин Е, кој се покажал дека е важен во регулирањето на системот за лиценцирање.[17] Кога циклинот Е е прекумерно изразен во клеточните линии U-2-OS, мрежата за оштетување на ДНК регулирана со ATM/ATR резултира со зголемување на Ser 15-фосфорилираниот p53, γ-H2AX и Ser 966-фосфорилираниот кохезин SMC1.[16] Одговорот за повторна репликација на ДНК е различен од одговорот што се зема кога оштетувањето се должи на создавање на радикали на кислород. Оштетувањето од генерациите на радикали на кислород доведува до одговор од онкогенот Myc, кој ги фосфорилира p53 и H2AX.[16]

Мрежата за оштетување на ДНК на ATM/ATR, исто така, ќе одговори на случаи каде што има прекумерна експресија на Cdt1. Прекумерното изразување на Cdt1 доведува до акумулација на ssDNA и DSB. Атаксија телеангиектазија и поврзана со Rad3 (ATR) се активира порано кога детектира ssDNA во претходните фази на повторна репликација на ДНК. ATR фосфорилира низводно фактори на репликација, како што се RPA2 и MCM2 или преку модулација на Rb или p53. Атаксија телеангиектазија мутирана (ATM) се активира откако ќе се открие поголемо количество на DSB во подоцнежните фази на повторна репликација на ДНК. Додека АТМ учествувала во апсењето на клеточниот циклус, апоптозата и стареењето, исто така се сомневало дека игра улога во посредувањето на поправката на DSB, но точните механизми сè уште не биле разбрани.[11]

Повторна репликација кај ракот[уреди | уреди извор]

Повторната репликација е вмешана во туморигенезата кај моделните организми и кај луѓето. Протеините за иницијација на репликација се прекумерно експресирани во примероци од ткиво од неколку типови човечки канцери[1][18][19] и експерименталната прекумерна експресија на Cdt1 и Cdc6 може да предизвика развој на тумор во клетките на глувчето.[20][21][22] Слично на тоа, Geminin аблацијата кај нокаут глувците е пријавена дека го подобрува формирањето на тумор.[23] Понатаму, овие студии покажувале дека повторната репликација може да резултира со зголемување на анеуплоидија, хромозомски фузии и прекини на ДНК.[24]

Кај квасецот, зголемената активност на активноста на G1 CDK обично го инхибира составувањето на пред-RCs и влегувањето во S фаза со помалку активно потекло, но кај клетките на ракот, патиштата p53 и Rb/E2F се дерегулирани и овозможуваат влез во S фаза со намалена количина од активно потекло. Ова доведува до прекини на двојни жици во ДНК, зголемена рекомбинација и неточни хромозомски аранжмани. Механизмот со кој се јавува оваа штета сè уште не е познат. Една од можностите е дека намаленото активирање на потеклото доведува до нецелосна репликација на ДНК. Значајна повторна репликација е забележана само кога сите регулаторни патишта на CDK се инхибирани.[25]

Во клетките на цицачите, Cdt1 и Cdc6 се многу поважни за регулација на репликацијата.[25] Прекумерна експресија на Cdt1 и Cdc6 била пронајдена во 43/75 случаи на неситноклеточни белодробни карциноми.[11] Таргетирањето на Cdc6 или ORC во клетките на цицачите не предизвикува суштинска повторна репликација. Прекумерното изразување на Cdt1, од друга страна, може да доведе до потенцијално смртоносни нивоа на повторна репликација самостојно. Овој одговор е забележан само во клетките на ракот.[25] Прекумерното изразување на членовите на семејството E2F придонесува за зголемување на експресијата на Cdt1 и Cdc6. Губење на регулацијата на p53 во клетките, исто така, често може да се забележи кај клеточните линии кои прекумерно изразуваат Cdt1 или Cdc6.[11]

Ендодупликација[уреди | уреди извор]

За специјалниот случај на репликација на ДНК регулирана со клеточен циклус во која синтезата на ДНК е откачена од прогресијата на клеточниот циклус, се однесува на ендодупликацијата. Ендодупликацијата е важен и широко распространет механизам кај многу типови на клетки. Не се придржува до многу контролни точки на клеточниот циклус и контролите на оштетувањето во клетките кои редовно се делат, но не резултира со неконтролирана повторна репликација. Ендодупликацијата е контролиран процес кој се јавува за извршување на одредена клеточна функција. Во некои клетки, предложено е ендодупликацијата да се користи како начин за складирање на нуклеотиди за ембриогенеза и ртење. Во други случаи, ендодупликацијата може да се користи во клетки кои се користат само за складирање на хранливи материи.[26]

Наводи[уреди | уреди извор]

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 „Strength in numbers: preventing rereplication via multiple mechanisms in eukaryotic cells“. Genes & Development. 21 (5): 497–518. March 2007. doi:10.1101/gad.1508907. PMID 17344412.
  2. ↑ 2,0 2,1 „Prevention of DNA re-replication in eukaryotic cells“. Journal of Molecular Cell Biology. 3 (1): 13–22. February 2011. doi:10.1093/jmcb/mjq052. PMC 3030972. PMID 21278447.
  3. ↑ Morgan, D. O. (2007). The cell cycle: principles of control. New Science Press.
  4. ↑ „Getting a grip on licensing: mechanism of stable Mcm2-7 loading onto replication origins“. Molecular Cell. 21 (2): 143–4. January 2006. doi:10.1016/j.molcel.2006.01.003. PMID 16427002.
  5. ↑ „DNA replication in eukaryotic cells“. Annual Review of Biochemistry. 71: 333–74. 2002. doi:10.1146/annurev.biochem.71.110601.135425. PMID 12045100.
  6. ↑ „Involvement of p34cdc2 in establishing the dependency of S phase on mitosis“. Nature. 349 (6308): 388–93. January 1991. Bibcode:1991Natur.349..388B. doi:10.1038/349388a0. PMID 1992340.
  7. ↑ „Temporal order of S phase and mitosis in fission yeast is determined by the state of the p34cdc2-mitotic B cyclin complex“. Cell. 78 (5): 813–22. September 1994. doi:10.1016/S0092-8674(94)90542-8. PMID 8087848.
  8. ↑ „Two steps in the assembly of complexes at yeast replication origins in vivo“. Cell. 78 (2): 303–16. July 1994. doi:10.1016/0092-8674(94)90299-2. PMID 8044842.
  9. ↑ „A role for the nuclear envelope in controlling DNA replication within the cell cycle“. Nature. 332 (6164): 546–8. April 1988. Bibcode:1988Natur.332..546B. doi:10.1038/332546a0. PMID 3357511.
  10. ↑ 10,0 10,1 Morgan, David O. (2007). The Cell Cycle: Principles of Control. Oxford University Press. ISBN 978-0-87893-508-6.[се бара страница]
  11. ↑ 11,0 11,1 11,2 11,3 Lan N. Truong, Xiaohua Wu; Prevention of DNA re-replication in eukaryotic cells, Journal of Molecular Cell Biology, Volume 3, Issue 1, 1 February 2011, Pages 13–22
  12. ↑ „Loss of rereplication control in Saccharomyces cerevisiae results in extensive DNA damage“. Molecular Biology of the Cell. 16 (1): 421–32. January 2005. doi:10.1091/mbc.E04-09-0833. PMC 539184. PMID 15537702.
  13. ↑ „Disruption of mechanisms that prevent rereplication triggers a DNA damage response“. Molecular and Cellular Biology. 25 (15): 6707–21. August 2005. doi:10.1128/MCB.25.15.6707-6721.2005. PMC 1190345. PMID 16024805.
  14. ↑ „Cyclin-dependent kinases prevent DNA re-replication through multiple mechanisms“. Nature. 411 (6841): 1068–73. June 2001. Bibcode:2001Natur.411.1068N. doi:10.1038/35082600. PMID 11429609.
  15. ↑ „Genome-wide mapping of DNA synthesis in Saccharomyces cerevisiae reveals that mechanisms preventing reinitiation of DNA replication are not redundant“. Molecular Biology of the Cell. 17 (5): 2401–14. May 2006. doi:10.1091/mbc.E05-11-1043. PMC 1446083. PMID 16481397.
  16. ↑ 16,0 16,1 16,2 Bartkova, J., Hořejší, Z., Koed, K., Krämer, A., Tort, F., Zieger, K., ... & Ørntoft, T. (2005). DNA damage response as a candidate anti-cancer barrier in early human tumorigenesis. Nature, 434(7035), 864.
  17. ↑ Blow, J. J., & Dutta, A. (2005). Preventing re-replication of chromosomal DNA. Nature reviews Molecular cell biology, 6(6), 476.
  18. ↑ „Replication licensing and cancer--a fatal entanglement?“. Nature Reviews. Cancer. 8 (10): 799–806. October 2008. doi:10.1038/nrc2500. PMC 2577763. PMID 18756287.
  19. ↑ „Control of DNA replication and its potential clinical exploitation“. Nature Reviews. Cancer. 5 (2): 135–41. February 2005. doi:10.1038/nrc1548. PMID 15660109.
  20. ↑ „Oncogenic potential of the DNA replication licensing protein CDT1“. Oncogene. 21 (8): 1150–8. February 2002. doi:10.1038/sj.onc.1205175. PMID 11850834.
  21. ↑ „Deregulated overexpression of hCdt1 and hCdc6 promotes malignant behavior“. Cancer Research. 67 (22): 10899–909. November 2007. doi:10.1158/0008-5472.CAN-07-2837. PMID 18006835. |hdl-access= бара |hdl= (help)
  22. ↑ „Cdt1 transgenic mice develop lymphoblastic lymphoma in the absence of p53“. Oncogene. 24 (55): 8176–86. December 2005. doi:10.1038/sj.onc.1208881. PMID 16261166.
  23. ↑ „Geminin ablation in vivo enhances tumorigenesis through increased genomic instability“. Journal of Pathology. 246 (2): 134–140. 2018. doi:10.1002/path.5128. PMID 29952003.
  24. ↑ „Mechanisms to control rereplication and implications for cancer“. Current Opinion in Cell Biology. 19 (6): 663–71. December 2007. doi:10.1016/j.ceb.2007.10.007. PMC 2174913. PMID 18053699.
  25. ↑ 25,0 25,1 25,2 Hills, S. A., & Diffley, J. F. (2014). DNA replication and oncogene-induced replicative stress. Current biology, 24(10), R435-R444
  26. ↑ Lee, H. O., Davidson, J. M., & Duronio, R. J. (2009). Endoreplication: polyploidy with purpose. Genes & development, 23(21), 2461-2477.
Преземено од „https://mk.wikipedia.org/w/index.php?title=Повторна_репликација_на_ДНК&oldid=5176436“