Konserwacja minichromosomów - Minichromosome maintenance

Rodzina MCM2-7
Ogólna struktura MCM DH.jpg
Ogólna struktura podwójnego heksameru Mcm2-7
Identyfikatory
Symbol MCM
Pfam PF00493
Klan Pfam CL0023
InterPro IPR031327
MĄDRY SM00350
PROSITE PDOC00662
Pfam mapuje do podstawowej domeny wiążącej ATP.

Kompleks białek podtrzymujących minichromosom ( MCM ) to helikaza DNA niezbędna do replikacji genomowego DNA. Eukariotyczny MCM składa się z sześciu produktów genów, Mcm2–7, które tworzą heteroheksamer. Jako białko o krytycznym znaczeniu dla podziału komórek, MCM jest również celem różnych szlaków punktów kontrolnych, takich jak punkty kontrolne wejścia do fazy S i zatrzymania fazy S. Zarówno ładowanie, jak i aktywacja helikazy MCM są ściśle regulowane i są powiązane z cyklami wzrostu komórek. Deregulacja funkcji MCM została powiązana z niestabilnością genomu i różnymi nowotworami.

Historia i struktura

Homologia podzielana przez członków rodziny białek Mcm2-7. Homologie wśród sześciu członków rodziny zaznaczono na czarno. Homologia każdego członka w różnych gatunkach jest oznaczona kolorem.

Białka utrzymujące minichromosom zostały nazwane na podstawie badań przesiewowych genetyki drożdży pod kątem mutantów wadliwych w regulacji inicjacji replikacji DNA. Uzasadnieniem tego przeszukiwania było to, że jeśli miejsca startu replikacji były regulowane w sposób analogiczny do promotorów transkrypcji, gdzie regulatory transkrypcji wykazywały specyficzność promotora, to regulatory replikacji również powinny wykazywać specyficzność początku. Ponieważ chromosomy eukariotyczne zawierają wiele miejsc rozpoczęcia replikacji, a plazmidy zawierają tylko jeden, niewielki defekt tych regulatorów miałby dramatyczny wpływ na replikację plazmidów, ale niewielki wpływ na chromosomy. Na tym ekranie zidentyfikowano mutanty uwarunkowane utratą plazmidu. W drugim przeszukiwaniu, te warunkowe mutanty zostały wyselekcjonowane pod kątem defektów w utrzymywaniu plazmidu w stosunku do zbioru plazmidów, z których każdy niesie inną sekwencję pochodzenia. Zidentyfikowano dwie klasy mutantów mcm : te, które wpłynęły na stabilność wszystkich minichromosomów i inne, które wpłynęły na stabilność tylko podzbioru minichromosomów. Te pierwsze były mutantami z wadą segregacji chromosomów, takimi jak mcm16, mcm20 i mcm21. Wśród tej ostatniej klasy mutantów specyficznych dla pochodzenia były mcm1, mcm2, mcm3, mcm5 i mcm10. Później inni zidentyfikowali Mcm4, Mcm6 i Mcm7 w drożdżach i innych eukariontach w oparciu o homologię do Mcm2p, Mcm3p i Mcm5p, rozszerzając rodzinę MCM do sześciu, później znanych jako rodzina Mcm2-7. W archeonach pierścień heteroheksamerowy jest zastąpiony homoheksamerem złożonym z jednego typu białka mcm , co wskazuje na historię duplikacji i dywersyfikacji genów.

Mcm1 i Mcm10 są również zaangażowane w replikację DNA, bezpośrednio lub pośrednio, ale nie wykazują homologii sekwencji z rodziną Mcm2-7.

Funkcja w inicjacji i wydłużaniu replikacji DNA

MCM2-7 jest wymagany zarówno do inicjacji replikacji, jak i wydłużania DNA; jego regulacja na każdym etapie jest główną cechą replikacji eukariotycznego DNA. Podczas fazy G1, dwa łeb w łeb pierścienie Mcm2-7 służą jako rusztowanie do składania dwukierunkowych kompleksów inicjacji replikacji w miejscu początku replikacji. Podczas fazy S kompleks Mcm2-7 tworzy rdzeń katalityczny helikazy Cdc45-MCM-GINS - silnika odwijającego DNA replikomu.

G1/przedreplikacyjny zespół złożony

Wyboru miejsca pochodzenia replikacji dokonuje kompleks Origin Recognition Complex (ORC), złożony z sześciu podjednostek (Orc1-6). Podczas fazy G1 cyklu komórkowego, Cdc6 jest rekrutowany przez ORC, aby utworzyć platformę startową do ładowania dwóch heksamerów typu głowa do głowy Mcm2-7, znanych również jako kompleks przedreplikacyjny (pre-RC). Istnieją genetyczne i biochemiczne dowody na to, że rekrutacja podwójnego heksameru może obejmować jeden lub dwa ORC. Rozpuszczalny heksamer Mcm2-7 tworzy elastyczną, lewoskrętną strukturę z otwartymi pierścieniami, stabilizowaną przez Cdt1 przed załadowaniem na chromatynę, pojedynczo. Struktura związku pośredniego ORC-Cdc6-Cdt1-MCM (OCCM) utworzonego po załadowaniu pierwszego heptameru Cdt1-Mcm2-7 wskazuje, że uskrzydlona domena helisy w rozszerzeniach C-końcowych (CTE) kompleksu Mcm2-7 jest mocno zakotwiczają się na powierzchniach utworzonych przez strukturę pierścienia ORC-Cdc6 wokół pochodzenia DNA. Uważa się, że fuzja dwóch heksamerów typu „głowa w łeb” Mcm2-7 jest ułatwiona przez usunięcie Cdt1, pozostawiając NTD dwóch heksamerów MCM elastycznymi dla oddziaływań między pierścieniami. Ładowanie MCM2-7 do DNA jest aktywnym procesem, który wymaga hydrolizy ATP zarówno przez Orc1-6, jak i Cdc6. Proces ten nazywany jest „licencjonowaniem replikacji”, ponieważ jest to warunek wstępny inicjacji replikacji DNA w każdym cyklu podziału komórki.

Późne G1/wczesne S - inicjacja

W późnej fazie G1/wczesna faza S, pre-RC jest aktywowany do rozwijania DNA przez kinazy zależne od cyklin (CDK) i DDK. Ułatwia to ładowanie dodatkowych czynników replikacji (np. Cdc45 , MCM10 , GINS i polimerazy DNA ) oraz rozwijanie DNA w miejscu pochodzenia. Po zakończeniu tworzenia się pre-RC, Orc1-6 i Cdc6 nie są już potrzebne do retencji MCM2-7 w miejscu początkowym i są zbędne do późniejszej replikacji DNA.

Faza S/wydłużenie

Po wejściu w fazę S, aktywność CDK i kinazy zależnej od Dbf4 (DDK) Cdc7 promuje składanie widełek replikacyjnych , prawdopodobnie częściowo przez aktywację MCM2-7 w celu rozwinięcia DNA. Po załadowaniu polimerazy DNA rozpoczyna się dwukierunkowa replikacja DNA.

Podczas fazy S, Cdc6 i Cdt1 są degradowane lub inaktywowane w celu zablokowania dodatkowego tworzenia się pre-RC i następuje dwukierunkowa replikacja DNA. Kiedy widełki replikacyjne napotykają zmiany w DNA, odpowiedź punktu kontrolnego fazy S spowalnia lub zatrzymuje progresję widełek i stabilizuje połączenie MCM2-7 z widełkami replikacyjnymi podczas naprawy DNA.

Rola w licencjonowaniu replikacji

System licencjonowania replikacji zapewnia, że ​​żadna sekcja genomu nie zostanie zreplikowana więcej niż raz w jednym cyklu komórkowym.

Inaktywacja którejkolwiek z co najmniej pięciu z sześciu podjednostek MCM podczas fazy S szybko blokuje trwające wydłużanie. Jako mechanizm krytyczny zapewniający tylko jedną rundę replikacji DNA, ładowanie dodatkowych kompleksów MCM2-7 do pre-RC jest dezaktywowane w sposób nadmiarowy po przejściu do fazy S. 

Aktywność MCM2-7 można również regulować podczas wydłużania. Utrata integralności widełek replikacyjnych, zdarzenie wywołane uszkodzeniem DNA, niezwykłą sekwencją DNA lub niewystarczającymi prekursorami dezoksyrybonukleotydów, może prowadzić do powstawania pęknięć dwuniciowych DNA i przegrupowań chromosomów. Zwykle te problemy z replikacją wywołują punkt kontrolny fazy S, który minimalizuje uszkodzenia genomu poprzez blokowanie dalszego wydłużania i fizyczną stabilizację asocjacji białko-DNA w widełkach replikacyjnych, dopóki problem nie zostanie rozwiązany. Ta stabilizacja widełek replikacyjnych wymaga fizycznej interakcji MCM2-7 z Mrc1, Tof1 i Csm3 (kompleks M/T/C). W przypadku braku tych białek, odwijanie dsDNA i ruch replikomów napędzany przez MCM2-7 trwa nadal, ale synteza DNA zatrzymuje się. Przynajmniej część tego zatrzymania jest spowodowana dysocjacją polimerazy ε od ​​widełek replikacyjnych.

Struktura biochemiczna

Każda podjednostka w strukturze MCM zawiera dwie duże domeny N- i C-końcowe. Domena N-końcowa składa się z trzech małych poddomen i wydaje się być wykorzystywana głównie do organizacji strukturalnej. Domena N może koordynować się z C-końcową domeną AAA + helikazy sąsiedniej podjednostki poprzez długą i konserwatywną pętlę. Wykazano, że ta konserwatywna pętla, nazwana allosteryczną pętlą kontrolną, odgrywa rolę w regulowaniu oddziaływań między regionami N- i C-końcowymi, ułatwiając komunikację między domenami w odpowiedzi na hydrolizę ATP [10]. Domena N określa również kierunek 3'→5' MCM in vitro. 

Modele rozwijania DNA

W odniesieniu do fizycznego mechanizmu, w jaki helikazy rozwijają DNA, zaproponowano dwa modele w oparciu o dane in vivo i in vitro. W modelu „sterycznym” helikaza ściśle przemieszcza się wzdłuż jednej nici DNA, fizycznie wypierając nić komplementarną. W modelu „pompy” pary helikaz odwijają dupleksowy DNA, albo skręcając go, albo wypychając przez kanały w kompleksie.

Model steryczny

Model steryczny stawia hipotezę, że helikaza otacza dsDNA i po miejscowym stopieniu dupleksowego DNA w miejscu początkowym przemieszcza się z miejsca początkowego, ciągnąc sztywny „klin” białkowy (albo część samej helikazy, albo inne powiązane białko), który oddziela Nici DNA.

Model pompy

Model pompy zakłada, że ​​wiele helik ładuje się w miejscu początku replikacji, przemieszcza się od siebie i w jakiś sposób ostatecznie zostaje zakotwiczone w miejscu. Następnie obracają dsDNA w przeciwnych kierunkach, powodując odwijanie podwójnej helisy w obszarze pośrednim. Zaproponowano również, aby model pompy był ograniczony do topienia pierwotnego DNA, podczas gdy kompleksy Mcm2-7 są wciąż zakotwiczone w miejscu początkowym tuż przed rozpoczęciem replikacji.

Rola w raku

Wykazano, że różne MCM promują proliferację komórek in vitro i in vivo, zwłaszcza w niektórych typach linii komórek rakowych. Związek między MCM a proliferacją w liniach komórek nowotworowych jest głównie przypisywany jego zdolności do wzmacniania replikacji DNA. Rolę MCM2 i MCM7 w proliferacji komórek wykazano w różnych kontekstach komórkowych, a nawet w próbkach ludzkich. 

Wykazano, że MCM2 jest często wyrażany w proliferujących przednowotworowych komórkach płuc. Jego ekspresja była związana z komórkami o wyższym potencjale proliferacyjnym w niedysplastycznym nabłonku płaskonabłonkowym, złośliwych histiocytoma włóknistych i raku endometrium, podczas gdy ekspresja MCM2 była również skorelowana z wyższym indeksem mitotycznym w próbkach raka piersi. 

Podobnie wiele badań naukowych wykazało związek między ekspresją MCM7 a proliferacją komórek. Ekspresja MCM7 była istotnie skorelowana z ekspresją Ki67 w kosmówkoworakach, raku płuc, brodawkowatej neoplazji urotelialnej, raku przełyku i raku endometrium. Jego ekspresja była również związana z wyższym indeksem proliferacyjnym w śródnabłonkowej neoplazji i raku gruczołu krokowego.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki