Původ replikace - Origin of replication
Počátek replikace (nazývaný také počátek replikace ), je konkrétní sekvence v genomu , ve kterém je zahájen replikace. Propagace genetického materiálu mezi generacemi vyžaduje včasnou a přesnou duplikaci DNA semikonzervativní replikací před buněčným dělením, aby se zajistilo, že každá dceřiná buňka dostane plný komplement chromozomů . To může zahrnovat replikaci DNA v živých organismech, jako jsou prokaryoty a eukaryoty, nebo DNA nebo RNA ve virech, jako jsou dvouvláknové RNA viry . Syntéza dceřiných vláken začíná na diskrétních místech, nazývaných počátky replikace, a pokračuje obousměrným způsobem, dokud není replikována veškerá genomová DNA. Navzdory základní povaze těchto událostí se organismy vyvinuly překvapivě odlišnými strategiemi, které řídí nástup replikace. Ačkoli se struktura a rozpoznávání původu specifické replikace liší od druhu k druhu, některé společné vlastnosti jsou sdíleny.
Dějiny
Ve druhé polovině 19. století průkopnická práce Gregora Mendela o dědičnosti znaků v rostlinách hrachu naznačovala, že za přenos vlastností organismu mezi generacemi jsou zodpovědné specifické „faktory“ (dnes zavedené jako geny). Ačkoli se původně předpokládalo, že proteiny slouží jako dědičný materiál, Avery, MacLeod a McCarty založili o století později DNA, která byla objevena Friedrichem Miescherem , jako nositel genetické informace. Tato zjištění vydláždila cestu pro výzkum odkrývající chemickou povahu DNA a pravidla pro kódování genetické informace a nakonec vedla k návrhu dvojšroubovicové struktury DNA od Watsona a Cricka . Tento trojrozměrný model DNA osvětlil potenciální mechanismy, jimiž by bylo možné genetickou informaci zkopírovat semikonzervativním způsobem před buněčným dělením, hypotéza, kterou později experimentálně podpořili Meselson a Stahl pomocí začlenění izotopů k rozlišení rodičovské a nově syntetizované DNA. Následná izolace DNA polymeráz, enzymů, které katalyzují syntézu nových řetězců DNA, Kornbergem a kolegy propagovala identifikaci mnoha různých složek biologického replikačního stroje DNA, nejprve v bakteriálním modelovém organismu E. coli , ale později také v eukaryotické formy života.
Funkce
Klíčovým předpokladem replikace DNA je, že musí nastat s extrémně vysokou věrností a účinností přesně jednou za buněčný cyklus, aby se zabránilo hromadění genetických změn s potenciálně škodlivými důsledky pro přežití buněk a životaschopnost organismu. Neúplné, chybné nebo předčasné replikace DNA mohou vést k mutacím, chromozomální polyploidii nebo aneuploidii a variacím počtu kopií genů, z nichž každá může následně vést k chorobám, včetně rakoviny. Aby byla zajištěna úplná a přesná duplikace celého genomu a správný tok genetické informace do potomkových buněk, jsou všechny události replikace DNA nejen přísně regulovány narážkami buněčného cyklu, ale jsou také koordinovány s jinými buněčnými událostmi, jako je transkripce a oprava DNA . Sekvence původu mají navíc vysoký obsah AT ve všech královstvích, protože opakování adenin a thyminu je snadnější oddělit, protože jejich interakce stohování bází nejsou tak silné jako interakce guaninu a cytosinu.
Replikace DNA je rozdělena do různých fází. Během iniciace jsou replikační stroje - nazývané replisomy - sestaveny na DNA obousměrným způsobem. Tyto montážní lokusy představují počáteční místa replikace nebo původu replikace DNA. Ve fázi prodloužení se replisomy pohybují v opačných směrech s replikačními vidlicemi, odvíjejí šroubovici DNA a syntetizují komplementární dceřiné řetězce DNA za použití obou rodičovských vláken jako šablon. Jakmile je replikace dokončena, konkrétní události ukončení vedou k demontáži replisomů. Dokud je celý genom duplikován před buněčným dělením, dalo by se předpokládat, že na umístění počátečních míst replikace nezáleží; přesto se ukázalo, že mnoho organismů používá jako původ preferované genomové oblasti. Nutnost regulovat umístění původu pravděpodobně vyplývá z potřeby koordinovat replikaci DNA s jinými procesy, které působí na sdílenou šablonu chromatinu, aby se zabránilo přerušení řetězců DNA a poškození DNA.
Replikonový model
Před více než pěti desetiletími navrhli Jacob , Brenner a Cuzin hypotézu replikonu, aby vysvětlili regulaci syntézy chromozomální DNA v E. coli . Model předpokládá, že difuzní trans -působící faktor, takzvaný iniciátor, interaguje s cis -působícím RNA elementem, replikátorem, aby podpořil nástup replikace v blízkém původu. Jakmile jsou iniciátoři navázáni na replikátory, ukládají replikační helikázy na DNA, často za pomoci doplňujících proteinů , což následně vede k náboru dalších doplňujících komponent a sestavení celého replikačního stroje. Replikátor tím určuje umístění iniciačních událostí replikace a oblast chromozomu, která je replikována z jednoho počátečního nebo iniciačního události, je definována jako replikon.
Základním rysem hypotézy replikonu je, že se spoléhá na pozitivní regulaci, aby řídil nástup replikace DNA, což může vysvětlit mnoho experimentálních pozorování v bakteriálních a fágových systémech. Například to odpovídá selhání replikace extrachromozomálních DNA bez původu při zavedení do hostitelských buněk. Dále racionalizuje inkompatibilitu plazmidu v E. coli, kde určité plazmidy navzájem destabilizují dědičnost v důsledku kompetice o stejný mechanismus iniciace molekul. Naproti tomu model negativní regulace (analogický modelu replikonového operátoru pro transkripci) nedokáže vysvětlit výše uvedená zjištění. Nicméně výzkum navazující na Jacobův, Brennerův a Cuzinův návrh replikonového modelu objevil mnoho dalších vrstev kontroly replikace u bakterií a eukaryot, které obsahují pozitivní i negativní regulační prvky, což zdůrazňuje jak komplexnost, tak důležitost omezení replikace DNA časově a prostorově .
Koncept replikátoru jako genetické entity se ukázal jako velmi užitečný při hledání identifikace sekvencí replikátoru DNA a iniciátorových proteinů v prokaryotech a do jisté míry také v eukaryotech , přestože organizace a složitost replikátorů se mezi oblastmi života značně liší. Zatímco bakteriální genomy typicky obsahují jeden replikátor, který je specifikován konsensuálními prvky DNA sekvence a který řídí replikaci celého chromozomu, většina eukaryotických replikátorů - s výjimkou začínajících kvasinek - není definována na úrovni sekvence DNA; místo toho se zdá, že jsou kombinatoricky specifikovány lokálními strukturálními DNA a chromatinovými narážkami. Eukaryotické chromozomy jsou také mnohem větší než jejich bakteriální protějšky, což zvyšuje potřebu zahájení syntézy DNA z mnoha původů současně, aby byla zajištěna včasná replikace celého genomu. Navíc je načteno mnohem více replikativních helikáz, než aktivováno, aby byla zahájena replikace v daném buněčném cyklu. Kontextová definice replikátorů a výběr původu naznačuje uvolněný model replikonu v eukaryotických systémech, který umožňuje flexibilitu v programu replikace DNA. Ačkoli replikátory a počátky mohou být fyzicky odděleny na chromozomech, často spolu lokalizují nebo jsou umístěny v těsné blízkosti; pro jednoduchost budeme v této recenzi oba prvky označovat jako „původ“. Celkově vzato, objev a izolace původních sekvencí v různých organismech představuje významný milník na cestě k mechanickému porozumění zahájení replikace. Kromě toho tyto úspěchy měly hluboké biotechnologické důsledky pro vývoj kyvadlových vektorů, které lze propagovat v bakteriálních, kvasinkových a savčích buňkách.
Bakteriální
Většina bakteriálních chromozomů je kruhová a obsahuje jediný počátek chromozomální replikace ( oriC ). Bakteriální oblasti oriC mají překvapivě různou velikost (v rozmezí od 250 bp do 2 kbp), sekvenci a organizaci; nicméně jejich schopnost řídit nástup replikace typicky závisí na sekvenčně specifickém odečtu konsensuálních prvků DNA bakteriálním iniciátorem, proteinem nazývaným DnaA. Počátky v bakteriích jsou buď kontinuální nebo bipartitní a obsahují tři funkční prvky, které řídí aktivitu původu: konzervativní DNA repetice, které jsou specificky rozpoznávány DnaA (nazývané DnaA-boxy), AT-bohatý DNA odvíjecí element (DUE) a vazebná místa pro proteiny které pomáhají regulovat zahájení replikace. Interakce DnaA jak s dvouvláknovými (ds) oblastmi DnaA-boxu, tak s jednovláknovou (ss) DNA v DUE jsou důležité pro aktivaci původu a jsou zprostředkovány různými doménami v iniciačním proteinu: helix-turn-helix (HTH) element vázající DNA a ATPázu spojenou s doménou různých buněčných aktivit ( AAA+ ). Zatímco sekvence, počet a uspořádání DnaA boxů spojených s původem se v celé bakteriální říši liší, jejich specifické umístění a mezery v daném druhu jsou kritické pro funkci oriC a pro tvorbu komplexu produktivního iniciačního komplexu.
Mezi bakteriemi je E. coli obzvláště silným modelovým systémem ke studiu organizace, rozpoznávání a aktivačního mechanismu původu replikace. E. coli oriC obsahuje přibližně ~ 260 bp oblast obsahující čtyři typy iniciátorových vazebných prvků, které se liší afinitou k DnaA a závislostí na kofaktoru ATP . DnaA-boxy R1, R2 a R4 představují místa s vysokou afinitou, která jsou vázána doménou HTH DnaA, bez ohledu na stav iniciátoru vázající nukleotidy. Naproti tomu místa I, τ a C, která jsou rozptýlena mezi místy R, jsou DnaA boxy s nízkou afinitou a přednostně se sdružují s DnaA vázaným na ATP, ačkoli ADP-DnaA může za určitých okolností nahradit ATP-DnaA podmínky. Vazba domén HTH na rozpoznávací prvky DnaA s vysokou a nízkou afinitou podporuje na ATP závislou oligomerizaci DnaA AAA+ modulů vyššího řádu do pravotočivého vlákna, které obaluje duplexní DNA kolem jeho vnějšího povrchu, čímž vytváří superhelickou torzi, která usnadňuje tavení sousední DUE bohaté na AT. Separaci řetězců DNA navíc pomáhají přímé interakce DnaA AAA+ ATPázové domény s tripletovými opakováními, takzvanými DnaA-tria, v proximální oblasti DUE. Zapojení jednovláknových trinukleotidových segmentů iniciátorovým filamentem natahuje DNA a stabilizuje iniciační bublinu tím, že brání opětovnému připouštění. Prvek původu DnaA-trio je konzervován u mnoha bakteriálních druhů, což naznačuje, že je klíčovým prvkem pro funkci původu. Po roztavení poskytuje DUE vstupní místo pro replikační helikázu DnaB E. coli , která je uložena na každé z jednotlivých řetězců DNA svým zaváděcím proteinem DnaC.
Ačkoli byly různé vazebné aktivity DNA DnaA rozsáhle studovány biochemicky a byly stanoveny různé struktury vázané na apo , ssDNA nebo dsDNA, přesná architektura iniciační sestavy DnaA- oriC vyššího řádu zůstává nejasná. Byly navrženy dva modely, které vysvětlují organizaci základních prvků původu a tavení oriC zprostředkované DnaA . Dvoustavový model předpokládá kontinuální vlákno DnaA, které přepíná z režimu vazby dsDNA (organizující komplex) na režim vazby ssDNA v DUE (komplex tání). Naproti tomu v modelu zpětné smyčky je DNA ostře ohnutá v oriC a skládá se zpět na iniciátorové vlákno, takže protomery DnaA současně zabírají dvouvláknové a jednovláknové oblasti DNA. Vysvětlení, jak přesně je DNA oriC organizována DnaA, tak zůstává důležitým úkolem pro budoucí studie. Pohledy do iniciační komplexní architektury pomohou vysvětlit nejen to, jak je roztavena původní DNA, ale také to, jak se replikativní helikáza směruje přímo do každého z exponovaných jednotlivých řetězců DNA v odvinutém DUE a jak těmto událostem napomáhají interakce helikázy s iniciátor a specifické zaváděcí proteiny.
Archaeal
Počátky archaeální replikace sdílejí některé, ale ne všechny organizační vlastnosti bakteriálního oriC . Na rozdíl od bakterií Archaea často zahajuje replikaci z více původů na chromozom (byl hlášen jeden až čtyři); přesto archaealní kořeny také nesou specializované sekvenční oblasti, které řídí funkci původu. Tyto prvky zahrnují jak rozpoznávací boxy specifické pro sekvenci DNA (ORB nebo miniORB), tak DUE bohaté na AT, které jsou lemovány jednou nebo několika oblastmi ORB. Prvky ORB vykazují značný stupeň rozmanitosti, pokud jde o jejich počet, uspořádání a posloupnost, a to jak mezi různými archaealními druhy, tak mezi různými původumi v rámci jednoho druhu. Další stupeň složitosti zavádí iniciátor Orc1/Cdc6 v archaea, který se váže na oblasti ORB. Archaealní genomy typicky kódují více paralogů Orc1/Cdc6, které se podstatně liší ve svých afinitách k odlišným prvkům ORB a které odlišně přispívají k počátečním aktivitám. Například v Sulfolobus solfataricus byly zmapovány tři chromozomální původy (oriC1, oriC2 a oriC3) a biochemické studie odhalily složité vazebné vzorce iniciátorů na těchto místech. Příbuzným iniciátorem pro oriC1 je Orc1-1, který se v tomto původu spojuje s několika ORB. OriC2 a oriC3 jsou vázány jak Orc1-1, tak Orc1-3. Naopak třetí paralog, Orc1-2, stopy všech tří původů, ale byl postulován za účelem negativní regulace zahájení replikace. Kromě toho bylo prokázáno, že protein WhiP, iniciátor nesouvisející s Orc1/Cdc6, také váže veškerý původ a řídí aktivitu původu oriC3 v blízce příbuzném Sulfolobus islandicus . Protože archaealní počátky často obsahují několik sousedících ORB prvků, může být simultánně přijato několik paralogů Orc1/Cdc6 k původu a v některých případech oligomerizováno; na rozdíl od bakteriálního DnaA se však tvorba sestavy iniciátoru vyššího řádu nezdá být obecným předpokladem funkce původu v archealální doméně.
Strukturální studie poskytly pohled na to, jak archaeal Orc1/Cdc6 rozpoznává prvky ORB a předělává původní DNA. Orc1/Cdc6 paralogy jsou dvoudoménové proteiny a jsou složeny z modulu AAA+ ATPase fúzovaného s C-koncovým záhybem s křídlovou šroubovicí. Struktury Orc1/Cdc6 v komplexu s DNA odhalily, že ORB jsou navázány monomerem Orc1/Cdc6 navzdory přítomnosti invertovaných opakujících se sekvencí v ORB prvcích. Jak oblasti ATPázy, tak okřídlené šroubovice interagují s duplexem DNA, ale asymetricky kontaktují palindromickou sekvenci opakování ORB, která orientuje Orc1/Cdc6 ve specifickém směru při opakování. Je zajímavé, že prvky ORB nebo miniORB lemující DUE mají často opačné polarity, což předpovídá, že subdomény víka AAA+ a domény Orc1/Cdc6 s okřídlenou šroubovicí jsou umístěny na obou stranách DUE způsobem, kde jsou proti sobě. Protože se obě oblasti Orc1/Cdc6 spojují s replikační helikázou udržující minichromozomy (MCM), je toto specifické uspořádání prvků ORB a Orc1/Cdc6 pravděpodobně důležité pro symetrické načítání dvou komplexů MCM do DUE. Překvapivě, zatímco sekvence ORB DNA určuje směrovost vazby Orcl/Cdc6, iniciátor navazuje relativně málo sekvenčně specifických kontaktů s DNA. Orc1/Cdc6 však DNA silně podtrhuje a ohýbá, což naznačuje, že se při rozpoznávání původu spoléhá na kombinaci sekvencí DNA a strukturálních rysů DNA závislých na kontextu. Zejména je párování bází udržováno ve zkresleném duplexu DNA po vazbě Orc1/Cdc6 v krystalových strukturách, zatímco biochemické studie přinesly protichůdná zjištění, zda archaealní iniciátoři mohou roztavit DNA podobně jako bakteriální DnaA. Ačkoli evoluční příbuznost archaealních a eukaryotických iniciátorů a replikativních helikáz naznačuje, že archaeal MCM je pravděpodobně vložen do duplexní DNA (viz následující část), časové pořadí původu tání a načítání helikázy, stejně jako mechanismus tavení DNA původu, v archaeal systémy proto musí být jasně stanoveny. Podobně je třeba se v budoucích studiích zabývat tím, jak přesně je MCM helikáza nanesena na DNA.
Eukaryotická
Organizace původu, specifikace a aktivace v eukaryotech jsou složitější než v bakteriálních nebo archaealních doménách a významně se odchylují od paradigmatu zavedeného pro zahájení prokaryotické replikace. Velké velikosti genomu eukaryotických buněk, které se pohybují od 12 Mbp u S. cerevisiae po 3 Gbp u lidí, vyžadují, aby replikace DNA začínala na několika stovkách (u pučících kvasinek) až desítkách tisíc (u lidí) původu, aby byla replikace DNA kompletní. všechny chromozomy během každého buněčného cyklu. S výjimkou S. cerevisiae a příbuzných druhů Saccharomycotina eukaryotický původ neobsahuje konsensuální prvky sekvencí DNA, ale jejich umístění je ovlivněno kontextuálními podněty, jako je místní topologie DNA, strukturální rysy DNA a chromatinové prostředí. Nicméně funkce eukaryotického původu stále závisí na konzervovaném komplexu iniciátorového proteinu k načítání replikativních helikáz na DNA během pozdní fáze M a G1 buněčného cyklu, což je krok známý jako licencování původu. Na rozdíl od jejich protějšky bakteriálních, replikativní helikázy v eukaryotech naloženo na původu duplexní DNA v neaktivní, dvojitě hexamerní formě a pouze podmnožinu z nich (10-20% v savčích buňkách), se aktivuje v jakémkoliv S fáze , události, které jsou označovány jako střelba původu. Umístění aktivních eukaryotických původů je tedy určováno alespoň na dvou různých úrovních, licencování původu k označení všech potenciálních původů a spouštění původu k výběru podskupiny, která umožňuje sestavení replikačního aparátu a zahájení syntézy DNA. Extra licencované počátky slouží jako záloha a jsou aktivovány pouze při zpomalení nebo zastavení blízkých replikačních vidlic, což zajišťuje, že replikaci DNA lze dokončit, když se buňky setkají s replikačním stresem. Přebytek licencovaného původu a přísná kontrola buněčného cyklu licencování a spouštění původu ztělesňují dvě důležité strategie, které zabraňují nedostatečné a nadměrné replikaci a udržují integritu eukaryotických genomů.
Počáteční studie na S. cerevisiae naznačily, že počátky replikace v eukaryotech mohou být rozpoznávány způsobem specifickým pro sekvenci DNA analogicky k těm v prokaryotech. U pučících kvasinek vede hledání genetických replikátorů k identifikaci autonomně se replikujících sekvencí (ARS), které podporují efektivní zahájení replikace DNA extrachromosomální DNA. Tyto oblasti ARS jsou přibližně 100-200 bp dlouhé a vykazují vícedílnou organizaci obsahující prvky A, B1, B2 a někdy i B3, které jsou společně nezbytné pro funkci původu. Prvek A zahrnuje konzervovanou 11 bp ARS konsensuální sekvenci (ACS), která ve spojení s elementem B1 představuje primární vazebné místo pro heterohexamerní komplex pro rozpoznávání původu (ORC), iniciátor eukaryotické replikace. V ORC je pět podjednotek predikováno na konzervovanou AAA+ ATPázu a záhyby s okřídlenou šroubovicí a společně se shromáždí do pentamerního kruhu, který obklopuje DNA. U pučících kvasinek ORC jsou prvky vázající DNA v doménách ATPázy a okřídlené šroubovice, jakož i přilehlé základní oblasti patchů v některých podjednotkách ORC umístěny v centrálním póru kruhu ORC tak, že napomáhají sekvenci DNA- specifické rozpoznávání ACS způsobem závislým na ATP. Role prvků B2 a B3 jsou naopak méně jasné. B2 oblast je v sekvenci podobná ACS a bylo navrženo, aby fungovala jako druhé ORC vazebné místo za určitých podmínek, nebo jako vazebné místo pro replikativní jádro helikázy. Naopak prvek B3 rekrutuje transkripční faktor Abf1, i když B3 se nenachází vůbec na pučícím původu kvasinek a vazba Abf1 se nezdá být zcela zásadní pro funkci původu.
Rozpoznávání původu u jiných eukaryot než S. cerevisiae nebo jejích blízkých příbuzných neodpovídá čtení sekvenčně specifických prvků DNA konzervativního původu. Úsilí izolovat specifické sekvence chromozomálních replikátorů obecněji u eukaryotických druhů, a to buď geneticky, nebo mapováním počátečních míst vazby iniciátoru nebo replikace na úrovni celého genomu, nedokázalo identifikovat jasné konsensuální sekvence na jejich počátcích. Interakce inicializátoru DNA specifické pro sekvenci v pučících kvasinkách znamenají spíše specializovaný režim pro rozpoznávání původu v tomto systému než archetypální režim pro specifikaci původu v eukaryotické doméně. Replikace DNA však začíná na diskrétních místech, která nejsou náhodně distribuována mezi eukaryotickými genomy, a tvrdí, že alternativní způsoby určují chromozomální umístění původu v těchto systémech. Tyto mechanismy zahrnují komplexní souhru mezi přístupností DNA, zkreslením nukleotidové sekvence (jak bohatství AT, tak ostrovy CpG byly spojeny s původem), polohováním nukleosomů , epigenetickými rysy, topologií DNA a určitými strukturálními znaky DNA (např. Motivy G4) a také jako regulační proteiny a transkripční interference. Důležité je, že vlastnosti původu se liší nejen mezi různým původem v organismu a mezi druhy, ale některé se mohou také měnit během vývoje a diferenciace buněk. Lokus chorionu v buňkách folikulu Drosophila představuje dobře zavedený příklad pro prostorovou a vývojovou kontrolu iniciačních událostí. Tato oblast prochází v definované fázi během oogeneze amplifikací genu závislou na replikaci DNA a spoléhá na včasnou a specifickou aktivaci původu chorionu, která je zase regulována cis-prvky specifickými pro původ a několika proteinovými faktory, včetně komplexu Myb, E2F1 a E2F2. Tato kombinatorická specifikace a multifaktoriální regulace původu metazoanů zkomplikovala identifikaci sjednocujících funkcí, které obecněji určují umístění míst zahájení replikace napříč eukaryoty.
Aby se usnadnila iniciace replikace a rozpoznávání původu, vyvinuly sestavy ORC z různých druhů specializované pomocné domény, o nichž se předpokládá, že pomáhají cílení iniciátoru na chromozomální původ nebo chromozomy obecně. Například podjednotka Orc4 v ORC S. pombe obsahuje několik AT-háčků, které přednostně vážou DNA bohatou na AT, zatímco v metazoanském ORC se předpokládá, že doména OrII6 podobná TFIIB plní podobnou funkci. Metazoan Orc1 proteiny také ukrývají doménu bromo-sousedící homologie (BAH), která interaguje s nukleosomy H4K20me2. Zejména v savčích buňkách byla pro účinnou iniciaci replikace požadována methylace H4K20 a doména Orc1-BAH usnadňuje asociaci ORC s chromozomy a replikaci závislou na původu viru Epstein-Barr. Je proto zajímavé spekulovat, že obě pozorování jsou mechanicky spojena alespoň v podskupině metazoa, ale tuto možnost je třeba dále prozkoumat v budoucích studiích. Kromě rozpoznávání určitých DNA nebo epigenetických znaků se ORC také přímo nebo nepřímo spojuje s několika partnerskými proteiny, které by mohly napomoci náboru iniciátorů, mimo jiné včetně LRWD1, PHIP (nebo DCAF14), HMGA1a. Zajímavé je, že Drosophila ORC, stejně jako její pučící kvasinkový protějšek, ohýbá DNA a negativní superšroubení bylo hlášeno, že zvyšuje vazbu DNA tohoto komplexu, což naznačuje, že tvar a kujnost DNA může ovlivnit umístění vazebných míst ORC napříč genomy metazoanů. Molekulární porozumění tomu, jak by regiony vázající DNA ORC mohly podporovat odečet strukturálních vlastností duplexu DNA u metazoanů, a nikoli specifických sekvencí DNA, jako u S. cerevisiae, čeká na strukturní informace o sestavách metazoanových iniciátorů vázaných na DNA s vysokým rozlišením. Podobně je špatně definováno, zda a jak různé epigenetické faktory přispívají k náboru iniciátorů v metazoanských systémech a je důležitou otázkou, kterou je třeba řešit podrobněji.
Jakmile byl přijat do svého původu, ORC a jeho kofaktory Cdc6 a Cdt1 pohánějí depozici minichromozomového udržovacího komplexu 2-7 (Mcm2-7) na DNA. Stejně jako archaealní replikační jádro helikázy je Mcm2-7 naloženo jako dvojitý hexamer hlava-hlava na DNA, aby byl licencován původ. Ve fázi S kináza Dbf4-dependentní kinasa (DDK) a cyklin-dependentní kináza (CDK) fosforyluje několik podjednotek Mcm2-7 a další iniciační faktory pro podporu náboru helicazových koaktivátorů Cdc45 a GINS, tání DNA a nakonec obousměrného doplňující sestava v podmnožině licencovaného původu. U kvasinek i metazoanů je původ prostý nebo bez nukleosomů, což je vlastnost, která je klíčová pro načítání Mcm2-7, což naznačuje, že stav chromatinu v počátcích reguluje nejen nábor iniciátorů, ale také načítání helikázy. Pro aktivaci původu je dále důležité permisivní chromatinové prostředí, které se podílí na regulaci účinnosti původu i načasování vypalování původu. Euchromatický původ obvykle obsahuje aktivní chromatinové značky, replikuje se časně a je účinnější než heterochromatický původ pozdní replikace , který se naopak vyznačuje represivními značkami. Není překvapením, že několik chromatin remodelers a chromatin modifikující enzymy, byly nalezeny spojovat s původu a některých iniciačních faktorů, ale jak jejich činnost vliv různých iniciace replikace akcí zůstává do značné míry překrývat. Je pozoruhodné, že v poslední době byly také identifikovány cis-působící „prvky řízení včasné replikace“ (ECRE), které pomáhají regulovat načasování replikace a ovlivňovat architekturu 3D genomu v savčích buňkách. Pochopení molekulárních a biochemických mechanismů, které organizují tuto komplexní souhru mezi organizací 3D genomu, lokální strukturou chromatinu a strukturou vyššího řádu a zahájením replikace, je vzrušujícím tématem pro další studie.
Proč se počátky replikace metazoanu lišily od paradigmatu rozpoznávání specifického pro sekvenci DNA, který určuje počáteční místa replikace u prokaryot a pučících kvasinek? Pozorování, že původ metazoanů se často společně lokalizuje s promotorovými oblastmi v buňkách Drosophila a savčích buňkách a že konflikty replikace a transkripce v důsledku kolizí základních molekulárních strojů mohou vést k poškození DNA, naznačují, že správná koordinace transkripce a replikace je důležitá pro udržení stability genomu. Nedávná zjištění také poukazují na přímější úlohu transkripce při ovlivňování polohy počátků, a to buď inhibicí načítání Mcm2-7, nebo přemístěním nabitého Mcm2-7 na chromozomy. Na sekvenci nezávislý (ale ne nutně náhodný) iniciátor vázající se na DNA navíc umožňuje flexibilitu při specifikaci míst načítání helikázy a spolu s interferencí transkripce a variabilitou účinnosti aktivace licencovaného původu pravděpodobně určuje umístění původu a přispívá ke koregulaci Programy replikace DNA a transkripční programy během vývoje a přechody osudu buněk. Výpočetní modelování iniciačních událostí v S. pombe , stejně jako identifikace specifických a vývojově regulovaných původů buněčného typu v metazoanech, jsou v souladu s tímto pojmem. Velký stupeň flexibility při výběru původu však existuje také mezi různými buňkami v rámci jedné populace, i když molekulární mechanismy, které vedou k heterogenitě v používání původu, zůstávají špatně definovány. Mapování původu v jednotlivých buňkách v metazoanových systémech a korelace těchto iniciačních událostí s expresí jednobuněčného genu a stavem chromatinu bude důležité pro objasnění, zda je volba původu čistě stochastická nebo kontrolovaná definovaným způsobem.
Virový
Viry mají často jediný původ replikace.
Byla popsána řada proteinů, které se podílejí na replikaci viru. Například, Polyoma viry použít hostitelské buňky, DNA polymerázy , které se upevňují na virový počátek replikace, pokud je antigen T je přítomna.
Variace
Ačkoli replikace DNA je nezbytná pro genetickou dědičnost, definovaný původ místně specifické replikace není technicky požadavek na duplikaci genomu, pokud jsou všechny chromozomy kopírovány jako celek, aby se zachoval počet kopií genů. Některé bakteriofágy a viry, například, mohou iniciovat replikaci DNA homologní rekombinací nezávisle na vyhrazeném původu. Podobně archaeon Haloferax volcanii používá iniciaci závislou na rekombinaci k duplikaci svého genomu, když jsou odstraněny jeho endogenní původy. Podobné nekanonické iniciační události replikací vyvolanou zlomem nebo transkripcí byly hlášeny u E. coli a S. cerevisiae . Navzdory schopnosti buněk udržovat životaschopnost za těchto výjimečných okolností je iniciace závislá na původu běžnou strategií, která je všeobecně přijímána v různých oblastech života.
Kromě toho se podrobné studie zahájení replikace zaměřily na omezený počet modelových systémů. Široce studované houby a metazoa jsou členy superskupiny opisthokontů a jsou příkladem pouze malého zlomku evoluční krajiny v eukaryotické doméně. Srovnatelně málo úsilí bylo zaměřeno na jiné eukaryotické modelové systémy, jako jsou kinetoplastidy nebo tetrahymena. Tyto studie překvapivě odhalily zajímavé rozdíly jak ve vlastnostech původu, tak ve složení iniciátoru ve srovnání s kvasinkami a metazoany.
Viz také
Reference
Tento článek byl převzat z následujícího zdroje pod licencí CC BY 4.0 ( 2019 ) ( zprávy recenzenta ):
Babatunde Ekundayo; Franziska Bleichert (12. září 2019). „Počátky replikace DNA“ . PLOS Genetika . 15 (9): e1008320. doi : 10.1371/JOURNAL.PGEN.1008320 . ISSN 1553-7390 . PMC 6742236 . PMID 31513569 . Wikidata Q86320168 .
Další čtení
- Lewin B (2004). Geny VIII . Sál Prentice. ISBN 978-0-13-144945-9.
externí odkazy
- Ori-Finder, online software pro predikci bakteriálních a archaálních oriC s
- Replikace+původ v amerických národních knihovnách lékařských oborových nadpisů (MeSH)