Поддержание минихромосом - Minichromosome maintenance

Семейство MCM2-7
Общая структура MCM DH.jpg
Общая структура двойного гексамера Mcm2-7[1]
Идентификаторы
СимволMCM
PfamPF00493
Pfam кланCL0023
ИнтерПроIPR031327
УМНАЯSM00350
PROSITEPDOC00662
Pfam отображается на основной домен связывания АТФ.

В белковый комплекс поддержания минихромосом (MCM) это ДНК-геликаза необходим для репликации геномной ДНК. MCM эукариот состоит из шести генных продуктов Mcm2-7, которые образуют гетерогексамер.[1][2] Как критический белок для клеточного деления, MCM также является мишенью для различных путей контрольных точек, таких как контрольные точки входа в S-фазу и контрольных точек остановки в S-фазе. Как загрузка, так и активация геликазы MCM строго регулируются и связаны с циклами роста клеток. Нарушение регуляции функции MCM было связано с геномной нестабильностью и множеством карцином.[3][4]

История и структура

Гомология разделяется членами семейства белков Mcm2-7.[5] Гомология среди шести членов семьи обозначена черным. Гомология каждого члена у разных видов обозначена цветом.

Белки поддержки минихромосом были названы в честь генетического скрининга дрожжей на мутанты, дефектные в регуляции инициации репликации ДНК.[6] Обоснование этого скрининга состоит в том, что если ориджины репликации регулируются аналогично промоторам транскрипции, где регуляторы транскрипции проявляют промоторную специфичность, то регуляторы репликации также должны проявлять ориджинную специфичность. Поскольку эукариотические хромосомы содержат множественные точки начала репликации, а плазмиды содержат только один, небольшой дефект в этих регуляторах будет иметь драматический эффект на репликацию плазмид, но мало влияет на хромосомы. В этом скрининге были идентифицированы мутанты, обусловленные потерей плазмиды. Во вторичном скрининге эти условные мутанты были отобраны по дефектам в поддержании плазмид в отношении набора плазмид, каждая из которых несет различную исходную последовательность. Два класса мкм Были идентифицированы мутанты: те, которые влияли на стабильность всех минихромосом, и другие, которые влияли на стабильность только подмножества минихромосом. Первые были мутантами с дефектом хромосомной сегрегации, такими как mcm16, mcm20 и mcm21. Среди последнего класса специфичных по происхождению мутантов были мкм1, мкм2, мкм3, мкм5 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 известных как семейство Mcm2-7.[5] У архей кольцо гетерогексамера заменено гомогексамером, состоящим из одного типа мкм белок, указывая на историю дупликации и диверсификации генов.[7]

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

Функция в инициации и удлинении репликации ДНК

MCM2-7 необходим как для инициации репликации ДНК, так и для удлинения; его регуляция на каждой стадии - центральная особенность репликации эукариотической ДНК.[3] Во время фазы G1 два расположенных «голова к голове» кольца Mcm2-7 служат каркасом для сборки двунаправленных комплексов инициации репликации в ориджине репликации. Во время S-фазы комплекс Mcm2-7 образует каталитическое ядро ​​геликазы Cdc45-MCM-GINS - механизма раскручивания ДНК реплисомы.

Сборка G1 / пререпликативного комплекса

Выбор сайта для начала репликации осуществляется комплексом распознавания происхождения (ORC), комплексом из шести субъединиц (Orc1-6).[12][13] Во время фазы G1 клеточного цикла Cdc6 нанят ORC, чтобы сформировать стартовую площадку для загрузки двух гексамеров Mcm2-7 лицом к лицу, также известных как пререпликационный комплекс (до RC).[14] Имеются генетические и биохимические доказательства того, что рекрутирование двойного гексамера может включать в себя один[15] или два[16] ORC. Растворимый гексамер Mcm2-7 образует гибкую левостороннюю структуру с открытыми кольцами, стабилизированную Cdt1 перед его загрузкой на хроматин,[2][17] один за раз.[18] Структура интермедиата ORC-Cdc6-Cdt1-MCM (OCCM), образованного после загрузки первого гептамера Cdt1-Mcm2-7, указывает на то, что домен крылатой спирали на С-концевых расширениях (CTE) комплекса Mcm2-7 прочно закрепляются на поверхностях, созданных кольцевой структурой ORC-Cdc6 вокруг исходной ДНК.[19] Считается, что слияние двух гексамеров Mcm2-7 «голова к голове» облегчается удалением Cdt1, оставляя NTD двух гексамеров MCM гибкими для межкольцевых взаимодействий.[20][1] Загрузка MCM2-7 на ДНК является активным процессом, который требует гидролиза АТФ как Orc1-6, так и Cdc6.[21] Этот процесс получил название «лицензирование репликации», поскольку он является предпосылкой для инициации репликации ДНК в каждом цикле деления клетки.[22][23]

Поздний G1 / ранний S - начало

В поздней фазе G1 / ранней S пре-RC активируется для раскручивания ДНК циклин-зависимыми киназами (CDK) и DDK. Это облегчает загрузку дополнительных факторов репликации (например, Cdc45, MCM10, Джинс, и ДНК-полимеразы ) и раскручивание ДНК в источнике.[3] После завершения образования пре-RC Orc1-6 и Cdc6 больше не требуются для удержания MCM2-7 в ориджине, и они незаменимы для последующей репликации ДНК.

S-фаза / удлинение

При входе в S-фазу активность CDK и Dbf4-зависимой киназы (DDK) Cdc7 способствует сборке вилки репликации, вероятно, частично за счет активации MCM2-7 для раскрутки ДНК. После загрузки ДНК-полимеразы начинается двунаправленная репликация ДНК.

Во время фазы S Cdc6 и Cdt1 разрушаются или инактивируются, чтобы блокировать образование дополнительных пре-RC, и следует двунаправленная репликация ДНК. Когда репликационная вилка встречается с повреждениями в ДНК, реакция контрольной точки S-фазы замедляет или останавливает развитие вилки и стабилизирует ассоциацию MCM2-7 с репликационной вилкой во время репарации ДНК.[24]

Роль в лицензировании репликации

Система лицензирования репликации гарантирует, что ни один из участков генома не реплицируется более одного раза за один клеточный цикл.[25]

Инактивация любой из по меньшей мере пяти из шести субъединиц MCM во время S-фазы быстро блокирует продолжающееся удлинение. В качестве критического механизма для обеспечения только одного раунда репликации ДНК загрузка дополнительных комплексов MCM2-7 в пре-RC инактивируется избыточными средствами после перехода в S-фазу.[26]

Активность MCM2-7 также можно регулировать во время удлинения. Нарушение целостности репликационной 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 сводит к минимуму повреждение генома, блокируя дальнейшее удлинение и физически стабилизируя ассоциации белок-ДНК на вилке репликации, пока проблема не будет устранена. Эта стабилизация репликационной вилки требует физического взаимодействия MCM2-7 с Mrc1, Tof1 и Csm3 (комплекс M / T / C).[27] В отсутствие этих белков раскручивание дцДНК и движение реплисом, приводимое в действие MCM2-7, продолжаются, но синтез ДНК останавливается. По крайней мере, часть этой остановки происходит из-за диссоциации полимеразы ε от репликационной 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-концом соседней субъединицы. AAA + геликазный домен через длинную консервативную петлю.[29][1] Эта консервативная петля, названная аллостерической контрольной петлей, как было показано, играет роль в регуляции взаимодействий между N- и C-концевыми областями, облегчая связь между доменами в ответ на гидролиз АТФ [10]. N-домен также устанавливает in vitro 3 '→ 5' направленность MCM.[30][31]

Модели раскрутки 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 цепи ДНК, физически смещая комплементарную цепь. В модели «насоса» пары гексамерных геликаз раскручивают дуплексную ДНК, либо скручивая ее, либо выдавливая ее через каналы в комплексе.

Стерическая модель

Стерическая модель предполагает, что геликаза окружает дцДНК и, после локального плавления дуплексной ДНК в источнике, перемещается от источника, таща за собой жесткий белковый «клин» (либо часть самой геликазы, либо другой связанный с ней белок), который разделяет Нити ДНК.[32]

Модель насоса

Модель помпы постулирует, что множественные геликазы нагружают точки начала репликации, перемещаются друг от друга и каким-то образом в конечном итоге закрепляются на месте. Затем они вращают дцДНК в противоположных направлениях, что приводит к раскручиванию двойной спирали в промежуточной области.[33] Также было предложено, чтобы модель помпы ограничивалась плавлением исходной ДНК, в то время как комплексы Mcm2-7 все еще закреплены в ориджине непосредственно перед инициацией 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 его способностью усиливать репликацию ДНК. Роль MCM2 и MCM7 в пролиферации клеток была продемонстрирована 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 карциноме эндометрия, в то время как экспрессия MCM2 также коррелировала с более высоким митотическим индексом в образцах рака груди.[34]

Точно так же многие исследования показали связь между экспрессией MCM7 и пролиферацией клеток. Экспрессия MCM7 значимо 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 при интраэпителиальной неоплазии предстательной железы и раке.[35]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж Ли Н, Чжай И, Чжан И, Ли В., Ян М., Лей Дж, Тай Б.К., Гао Н. (август 2015 г.). «Структура эукариотического комплекса MCM на 3,8 Å». Природа. 524 (7564): 186–91. Bibcode:2015Натура.524..186л. Дои:10.1038 / природа14685. PMID  26222030. S2CID  4468690.
  2. ^ а б Чжай И, Ченг Э, Ву Х, Ли Н, Юнг ПЙ, Гао Н, Тай Б.К. (март 2017 г.). «Открыто-кольцевая структура комплекса Cdt1-Mcm2-7 как предшественник двойного гексамера MCM». Структурная и молекулярная биология природы. 24 (3): 300–308. Дои:10.1038 / nsmb.3374. PMID  28191894. S2CID  3929807.
  3. ^ а б c Бохман М.Л., Швача А. (декабрь 2009 г.). «Комплекс Mcm: раскрутка механизма репликативной геликазы». Обзоры микробиологии и молекулярной биологии. 73 (4): 652–83. Дои:10.1128 / mmbr.00019-09. ЧВК  2786579. PMID  19946136.
  4. ^ Шима Н., Алькарас А., Лячко И., Буске Т.Р., Эндрюс, Калифорния, Манро Р.Дж., Хартфорд С.А., Тай Б.К., Шименти Дж.С. (январь 2007 г.). «Жизнеспособный аллель Mcm4 вызывает хромосомную нестабильность и аденокарциномы молочной железы у мышей». Природа Генетика. 39 (1): 93–8. Дои:10,1038 / ng1936. PMID  17143284. S2CID  11433033.
  5. ^ а б Тай Б.К. (июнь 1999 г.). «Белки MCM в репликации ДНК». Ежегодный обзор биохимии. 68 (1): 649–86. Дои:10.1146 / annurev.biochem.68.1.649. PMID  10872463.
  6. ^ Maine GT, Sinha P, Tye BK (март 1984 г.). «Мутанты S. cerevisiae, нарушающие поддержание минихромосом». Генетика. 106 (3): 365–85. ЧВК  1224244. PMID  6323245.
  7. ^ Аусианникава, Дарья; Аллерс, Торстен (31 января 2017 г.). «Разнообразие репликации ДНК в архее». Гены. 8 (2): 56. Дои:10.3390 / genes8020056. ЧВК  5333045. PMID  28146124.
  8. ^ Пассмор С., Эльбл Р., Тай Б.К. (июль 1989 г.). «Белок, участвующий в поддержании минихромосом у дрожжей, связывает энхансер транскрипции, консервативный у эукариот». Гены и развитие. 3 (7): 921–35. Дои:10.1101 / gad.3.7.921. PMID  2673922.
  9. ^ Чанг В.К., Fitch MJ, Донато Дж.Дж., Кристенсен Т.В., Merchant AM, Тай Б.К. (февраль 2003 г.). «Mcm1 связывает источники репликации». Журнал биологической химии. 278 (8): 6093–100. Дои: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 приостановку вилок элонгации через источники хромосомной репликации в Saccharomyces cerevisiae». Молекулярная и клеточная биология. 17 (6): 3261–71. Дои:10.1128 / MCB.17.6.3261. ЧВК  232179. PMID  9154825.
  11. ^ Хомсли Л., Лей М., Кавасаки И., Сойер С., Кристенсен Т., Тай Б.К. (апрель 2000 г.). «Mcm10 и комплекс MCM2-7 взаимодействуют, чтобы инициировать синтез ДНК и высвобождать факторы репликации из источников». Гены и развитие. 14 (8): 913–26. Дои:10.1101 / gad.14.8.913 (неактивно 01.09.2020). ЧВК  316538. PMID  10783164.CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на сентябрь 2020 г. (связь)
  12. ^ Белл С.П., Стиллман Б. (май 1992 г.). «АТФ-зависимое распознавание эукариотических источников репликации ДНК мультибелковым комплексом». Природа. 357 (6374): 128–34. Bibcode:1992Натура.357..128Б. Дои:10.1038 / 357128a0. PMID  1579162. S2CID  4346767.
  13. ^ Ли Н, Лам У.Х., Чжай Й, Ченг Дж, Ченг Э, Чжао Й, Гао Н, Тай Б.К. (июль 2018 г.). «Структура комплекса распознавания ориджина, связанного с ориджином репликации ДНК». Природа. 559 (7713): 217–222. Bibcode:2018Натура.559..217L. Дои:10.1038 / с41586-018-0293-х. PMID  29973722. S2CID  49577101.
  14. ^ Диффли Дж. Ф., Кокер Дж. Х., Доуэлл С. Дж., Харвуд Дж, Роули А. (1995). «Поэтапная сборка инициирующих комплексов в зарождающихся началах репликации дрожжей во время клеточного цикла». Журнал клеточной науки. Добавка. 19: 67–72. Дои:10.1242 / jcs.1995.supplement_19.9. PMID  8655649.
  15. ^ Тикау С., Фридман Л. Дж., Ивица Н. А., Геллес Дж., Белл С. П. (апрель 2015 г.). «Исследования одиночных молекул при лицензировании происхождения показывают механизмы, обеспечивающие двунаправленную загрузку геликазы». Клетка. 161 (3): 513–525. Дои:10.1016 / j.cell.2015.03.012. ЧВК  4445235. PMID  25892223.
  16. ^ Костер Дж., Диффли Дж. Ф. (июль 2017 г.). «Двунаправленная репликация эукариотической ДНК обеспечивается квазисимметричной загрузкой геликазы». Наука. 357 (6348): 314–318. Bibcode:2017Наука ... 357..314C. Дои:10.1126 / science.aan0063. ЧВК  5608077. PMID  28729513.
  17. ^ Фригола Дж., Хе Дж., Кинкелин К., Пай В. Е., Рено Л., Дуглас М. Е., Ремус Д., Черепанов П., Коста А., Диффли Дж. Ф. (июнь 2017 г.). «Cdt1 стабилизирует открытое кольцо MCM для нагрузки геликазы». Nature Communications. 8: 15720. Bibcode:2017НатКо ... 815720F. Дои:10.1038 / ncomms15720. ЧВК  5490006. PMID  28643783.
  18. ^ Ticau S, Friedman LJ, Champasa K, Corrêa IR, Gelles J, Bell SP (март 2017 г.). «Механизм и время закрытия кольца Mcm2-7 при лицензировании репликации ДНК». Структурная и молекулярная биология природы. 24 (3): 309–315. Дои:10.1038 / nsmb.3375. ЧВК  5336523. PMID  28191892.
  19. ^ Юань З., Риера А., Бай Л., Сан Дж., Нанди С., Спанос С., Чен З.А., Барбон М., Раппсилбер Дж., Стиллман Б., Спек С., Ли Х (март 2017 г.). «Структурная основа загрузки репликативной геликазы Mcm2-7 ORC-Cdc6 и Cdt1». Структурная и молекулярная биология природы. 24 (3): 316–324. Дои:10.1038 / nsmb.3372. ЧВК  5503505. PMID  28191893.
  20. ^ Чжай Й, Ли Н, Цзян Х, Хуанг Х, Гао Н, Тай Б.К. (июль 2017 г.). «Уникальные роли неидентичных субъединиц MCM в лицензировании репликации ДНК». Молекулярная клетка. 67 (2): 168–179. Дои:10.1016 / j.molcel.2017.06.016. PMID  28732205.
  21. ^ Рэнделл Дж. К., Бауэрс Дж. Л., Родригес Х. К., Белл С. П. (январь 2006 г.). «Последовательный гидролиз АТФ с помощью Cdc6 и ORC направляет загрузку геликазы Mcm2-7». Молекулярная клетка. 21 (1): 29–39. Дои:10.1016 / j.molcel.2005.11.023. PMID  16387651.
  22. ^ Тай Б.К. (май 1994 г.). «Белки MCM2-3-5: являются ли они факторами лицензирования репликации?». Тенденции в клеточной биологии. 4 (5): 160–6. Дои:10.1016/0962-8924(94)90200-3. PMID  14731643.
  23. ^ Томмес П., Кубота Ю., Такисава Х., Блоу Дж. Дж. (Июнь 1997 г.). «Компонент RLF-M системы лицензирования репликации образует комплексы, содержащие все шесть полипептидов MCM / P1». Журнал EMBO. 16 (11): 3312–9. Дои:10.1093 / emboj / 16.11.3312. ЧВК  1169947. PMID  9214646.
  24. ^ Камимура Ю., Так Ю.С., Сугино А., Араки Х. (апрель 2001 г.). «Sld3, который взаимодействует с Cdc45 (Sld4), функционирует для репликации хромосомной ДНК в Saccharomyces cerevisiae». Журнал EMBO. 20 (8): 2097–107. Дои:10.1093 / emboj / 20.8.2097. ЧВК  125422. PMID  11296242.
  25. ^ Тада С., Блоу Дж. Дж. (Август 1998 г.). «Система лицензирования репликации». Биологическая химия. 379 (8–9): 941–9. Дои:10.1515 / bchm.1998.379.8-9.941. ЧВК  3604913. PMID  9792427.
  26. ^ а б Невес Х., Квок Х.Ф. (август 2017 г.). «В болезни и в здоровье: многие роли белков поддержания минихромосом». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Обзоры на рак. 1868 (1): 295–308. Дои:10.1016 / j.bbcan.2017.06.001. PMID  28579200.
  27. ^ а б Като Й, Кано И, Бандо М., Ногучи Х, Танака Х, Асикари Т., Сугимото К., Сирахиге К. (август 2003 г.). «Белки контрольной точки S-фазы Tof1 и Mrc1 образуют стабильный комплекс, приостанавливающий репликацию». Природа. 424 (6952): 1078–83. Bibcode:2003Натура.424.1078K. Дои:10.1038 / природа01900. PMID  12944972. S2CID  4330982.
  28. ^ Лю В., Пуччи Б., Росси М., Пизани FM, Ладенштейн Р. (июнь 2008 г.). «Структурный анализ N-концевого домена белка MCM Sulfolobus solfataricus». Исследования нуклеиновых кислот. 36 (10): 3235–43. Дои:10.1093 / nar / gkn183. ЧВК  2425480. PMID  18417534.
  29. ^ Брюстер А.С., Чен XS (июнь 2010 г.). «Понимание функционального механизма MCM: уроки, извлеченные из комплекса MCM архей». Критические обзоры в биохимии и молекулярной биологии. 45 (3): 243–56. Дои:10.3109/10409238.2010.484836. ЧВК  2953368. PMID  20441442.
  30. ^ Барри Э.Р., МакГеоч А.Т., Келман З., Белл С.Д. (01.02.2007). «Архейский MCM имеет разделяемую процессивность, выбор субстрата и геликазные домены». Исследования нуклеиновых кислот. 35 (3): 988–98. Дои:10.1093 / нар / gkl1117. ЧВК  1807962. PMID  17259218.
  31. ^ Джорджеску, Роксана; Юань, Цзуаньнин; Бай, Линь; де Луна Алмейда Сантос, Руда; Сунь, Цзинчуань; Чжан, Дан; Юрьева Ольга; Ли, Хуэйлинь; О’Доннелл, Майкл Э. (31 января 2017 г.). «Структура эукариотической геликазы CMG на вилке репликации и последствия для архитектуры реплисом и инициации ориджина». Труды Национальной академии наук. 114 (5): E697 – E706. Дои:10.1073 / pnas.1620500114. ЧВК  5293012. PMID  28096349.
  32. ^ Пател С.С., Пича К.М. (01.06.2000). «Строение и функции гексамерных геликаз». Ежегодный обзор биохимии. 69 (1): 651–97. Дои:10.1146 / annurev.biochem.69.1.651. PMID  10966472.
  33. ^ Ласки Р.А., Мадин М.А. (январь 2003 г.). «Модель роторной перекачки для функции геликазы белков MCM на расстоянии от вилок репликации». EMBO отчеты. 4 (1): 26–30. Дои:10.1038 / sj.embor.embor706. ЧВК  1315806. PMID  12524516.
  34. ^ Гонсалес М.А., Пиндер С.Е., Каллаги Г., Ваулер С.Л., Моррис Л.С., Берд К., Белл Д.А., Ласки Р.А., Коулман Н. (декабрь 2003 г.). «Поддерживающий протеин 2 минихромосом является сильным независимым прогностическим маркером рака груди». Журнал клинической онкологии. 21 (23): 4306–13. Дои:10.1200 / jco.2003.04.121. PMID  14645419.
  35. ^ Гуань Б., Ван Х, Ян Дж, Чжоу С., Мэн У. (август 2015 г.). «Компонент 7 поддерживающего минихромосомы играет важную роль в инвазии папиллярной уротелиальной неоплазии». Письма об онкологии. 10 (2): 946–950. Дои:10.3892 / ol.2015.3333. ЧВК  4509410. PMID  26622601.
  36. ^ Кортез Д., Глик Дж., Элледж С.Дж. (июль 2004 г.). «Белки поддержания минихромосом являются прямыми мишенями для киназ контрольных точек ATM и ATR». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 101 (27): 10078–83. Дои:10.1073 / pnas.0403410101. ЧВК  454167. PMID  15210935.

внешняя ссылка