Údržba minichromozomů - Minichromosome maintenance - Wikipedia

Rodina MCM2-7
MCM DH overall structure.jpg
Celková struktura dvojitého hexameru Mcm2-7[1]
Identifikátory
SymbolMCM
PfamPF00493
Pfam klanCL0023
InterProIPR031327
CHYTRÝSM00350
STRÁNKAPDOC00662
Pfam se mapuje na základní doménu vázání ATP.

The minichromozomový udržovací proteinový komplex (MCM) je DNA helikáza nezbytné pro replikaci genomové DNA. Eukaryotický MCM se skládá ze šesti genových produktů, Mcm2–7, které tvoří heterohexamer.[1][2] Jako kritický protein pro buněčné dělení je MCM také terčem různých cest kontrolních bodů, jako jsou kontrolní body vstupu S-fáze a kontrolní body S-fáze. Zavádění i aktivace MCM helikázy jsou přísně regulovány a jsou spojeny s buněčnými růstovými cykly. Deregulace funkce MCM byla spojena s genomovou nestabilitou a řadou karcinomů.[3][4]

Historie a struktura

Homologie sdílená členy rodiny proteinů Mcm2-7.[5] Homologie mezi šesti členy rodiny je označena černě. Homologie každého člena napříč druhy je označena barevně.

Minichromozomové udržovací proteiny byly pojmenovány po screeningu genetiky kvasinek na mutanty defektní v regulaci iniciace replikace DNA.[6] Důvodem této obrazovky bylo, že pokud byly počátky replikace regulovány analogickým způsobem jako promotory transkripce, kde transkripční regulátory vykazovaly specificitu promotoru, pak by replikační regulátory měly také vykazovat specificitu původu. Jelikož eukaryotické chromozomy obsahují více počátků replikace a plazmidy obsahují pouze jeden, mírný defekt těchto regulátorů by měl dramatický účinek na replikaci plazmidů, ale malý účinek na chromozomy. Na tomto screeningu byly identifikovány mutanty podmíněné ztrátou plazmidu. Na sekundárním screeningu byly tyto podmíněné mutanty vybrány pro defekty v udržování plazmidu proti souboru plazmidů, z nichž každý nese jinou počáteční sekvenci. Dvě třídy mcm Byly identifikovány mutanty: Ty, které ovlivnily stabilitu všech minichromozomů a další, které ovlivnily stabilitu pouze podmnožiny minichromozomů. První z nich byli mutanti defektní v segregaci chromozomů, jako např mcm16, mcm20 a mcm21. Mezi druhou třídou původních specifických mutantů byly mcm1, mcm2, mcm3, mcm5 a mcm10. Později jiní identifikovali Mcm4, Mcm6 a Mcm7 v kvasinkách a dalších eukaryotech na základě homologie s Mcm2p, Mcm3p a Mcm5p rozšiřující rodinu MCM na šest, následně známou jako rodina Mcm2-7.[5] V archaeách je heterohexamerový kruh nahrazen homohexamerem tvořeným jediným typem mcm protein, poukazující na historii duplikace a diverzifikace genů.[7]

MCM1[8][9] a Mcm10[10][11] jsou také zapojeni do replikace DNA, přímo nebo nepřímo, ale nemají žádnou sekvenční homologii s rodinou Mcm2-7.

Funkce při zahájení a prodloužení replikace DNA

MCM2-7 je vyžadován jak pro zahájení replikace DNA, tak pro prodloužení; jeho regulace v každé fázi je ústředním rysem replikace eukaryotické DNA.[3] Během fáze G1 slouží dva přímé kroužky Mcm2-7 jako lešení pro sestavení iniciačních komplexů obousměrné replikace na počátku replikace. Během fáze S tvoří komplex Mcm2-7 katalytické jádro helikázy Cdc45-MCM-GINS - DNA odvíjejícího motoru replisomu.

Sestava G1 / pre-replikativní komplex

Výběr stránek pro počátky replikace provádí komplex Origin Recognition Complex (ORC), komplex šesti podjednotek (Orc1-6).[12][13] Během fáze G1 buněčného cyklu Cdc6 je rekrutován ORC, aby vytvořil odpalovací rampu pro načítání dvou head-to-head hexamerů Mcm2-7, známých také jako předreplikační komplex (před RC).[14] Existují genetické a biochemické důkazy, že nábor dvojitého hexameru může zahrnovat kterýkoli z nich[15] nebo dva[16] ORC. Rozpustný hexamer Mcm2-7 tvoří pružnou levostrannou strukturu s otevřeným prstencem stabilizovanou Cdt1 před jeho zavedením na chromatin,[2][17] jeden po druhém.[18] Struktura meziproduktu ORC-Cdc6-Cdt1-MCM (OCCM) vytvořená po zavedení prvního heptameru Cdt1-Mcm2-7 naznačuje, že doména okřídlené šroubovice na C-koncových prodlouženích (CTE) komplexu Mcm2-7 pevně ukotvit na povrchy vytvořené kruhovou strukturou ORC-Cdc6 kolem původní DNA.[19] Má se za to, že fúze dvou hexamerů Mcm2-7 mezi hlavami je usnadněna odstraněním Cdt1, takže NTD dvou hexamerů MCM jsou flexibilní pro mezikruhové interakce.[20][1] Zavádění MCM2-7 do DNA je aktivní proces, který vyžaduje hydrolýzu ATP jak Orc1-6, tak Cdc6.[21] Tento proces nese název „Licencování replikace“, protože je předpokladem pro zahájení replikace DNA v každém cyklu dělení buněk.[22][23]

Pozdní G1 / časný S - zahájení

V pozdní fázi G1 / časné S je pre-RC aktivován pro odvíjení DNA cyklin-dependentními kinázami (CDK) a DDK. To usnadňuje načítání dalších replikačních faktorů (např. Cdc45, MCM10, GINS, a DNA polymerázy ) a odvíjení DNA na počátku.[3] Jakmile je tvorba pre-RC dokončena, Orc1-6 a Cdc6 již nejsou potřebné pro retenci MCM2-7 na počátku a jsou postradatelné pro následnou replikaci DNA.

S-fáze / prodloužení

Po vstupu do S fáze aktivita CDK a Dbf4-dependentní kinázy (DDK) Cdc7 podporuje sestavení replikační vidlice, pravděpodobně částečně aktivací MCM2-7 k uvolnění DNA. Po naplnění DNA polymerázou začíná obousměrná replikace DNA.

Během S fáze jsou Cdc6 a Cdt1 degradovány nebo inaktivovány, aby blokovaly další tvorbu pre-RC, a následuje obousměrná replikace DNA. Když replikační vidlice narazí na léze v DNA, reakce kontrolního bodu S fáze zpomalí nebo zastaví progresi vidlice a stabilizuje asociaci MCM2-7 s replikační vidličkou během opravy DNA.[24]

Role v licencování replikace

Systém licencování replikace funguje tak, aby zajistil, že žádná část genomu nebude replikována více než jednou v jednom buněčném cyklu.[25]

Inaktivace kterékoli z alespoň pěti ze šesti podjednotek MCM během fáze S rychle blokuje probíhající prodloužení. Jako kritický mechanismus k zajištění pouze jednoho kola replikace DNA je zavádění dalších komplexů MCM2-7 do pre-RC inaktivováno redundantními prostředky po průchodu do S fáze.[26]

Aktivitu MCM2-7 lze také regulovat během prodloužení. Ztráta integrity replikační vidlice, událost vyvolaná poškozením DNA, neobvyklou sekvencí DNA nebo nedostatečnými prekurzory deoxyribonukleotidů, může vést ke vzniku dvouřetězcových zlomů DNA a přeskupení chromozomů. Normálně tyto problémy s replikací spouští kontrolní bod S-fáze, který minimalizuje poškození genomu blokováním dalšího prodloužení a fyzickou stabilizací asociací protein-DNA na replikační vidlici, dokud není problém vyřešen. Tato stabilizace replikační vidlice vyžaduje fyzickou interakci MCM2-7 s Mrc1, Tof1 a Csm3 (komplex M / T / C).[27] Při absenci těchto proteinů pokračuje odvíjení dsDNA a replisomový pohyb poháněný MCM2-7, ale syntéza DNA se zastaví. Alespoň část tohoto zastavení je způsobena disociací polymerázy ε z replikační vidlice.[27]

Biochemická struktura

Každá podjednotka ve struktuře MCM obsahuje dvě velké N- a C-koncové domény. N-terminální doména se skládá ze tří malých subdomén a zdá se, že se používá hlavně pro strukturální organizaci.[28][1] N-doména se může koordinovat s C-terminálem sousední podjednotky AAA + doména helikázy prostřednictvím dlouhé a konzervované smyčky.[29][1] Ukázalo se, že tato konzervovaná smyčka, pojmenovaná alosterická kontrolní smyčka, hraje roli v regulaci interakcí mezi N- a C-koncovými oblastmi usnadněním komunikace mezi doménami v reakci na hydrolýzu ATP [10]. N-doména také stanoví in vitro 3 '→ 5' směrovost MCM.[30][31]

Modely odvíjení DNA

Pokud jde o fyzikální mechanismus, jak hexamerická helikáza odvíjí DNA, byly na základě údajů in vivo a in vitro navrženy dva modely. U „stérického“ modelu se helikáza těsně translokuje podél jednoho řetězce DNA, přičemž fyzicky vytěsňuje komplementární řetězec. V modelu „pumpy“ páry hexamerních helikáz odvíjejí duplexní DNA buď jejím kroucením od sebe, nebo extrudováním kanály v komplexu.

Sterický model

Sterický model předpokládá, že helikáza obklopuje dsDNA a po lokálním roztavení duplexní DNA v počátcích se translokuje pryč od původu a přetáhne tuhý proteinový „klín“ (buď část samotné helikázy nebo jiný přidružený protein), který odděluje DNA řetězce.[32]

Model čerpadla

Model pumpy předpokládá, že se více helikáz načítá v počátcích replikace, přemisťují se od sebe a nějakým způsobem se nakonec zakotví na místě. Poté rotují dsDNA v opačných směrech, což vede k odvíjení dvojité šroubovice v intervenující oblasti.[33] Bylo také navrženo, aby byl model pumpy omezen na tavení původní DNA, zatímco komplexy Mcm2-7 jsou stále ukotveny na počátku těsně před zahájením replikace.[1]

Role v rakovině

Ukázalo se, že různé MCM podporují buněčnou proliferaci in vitro a in vivo, zejména u určitých typů rakovinných buněčných linií. Spojení mezi MCM a proliferací v rakovinných buněčných liniích se většinou připisuje jeho schopnosti zvýšit replikaci DNA. Role MCM2 a MCM7 v buněčné proliferaci byly prokázány v různých buněčných kontextech a dokonce i v lidských vzorcích.[26]

Ukázalo se, že MCM2 je často exprimován v proliferujících premaligních plicních buňkách. Jeho exprese byla spojena s buňkami, které mají vyšší proliferační potenciál v nedysplastickém dlaždicovém epitelu, maligních vláknitých histiocytomech a karcinomu endometria, zatímco exprese MCM2 také korelovala s vyšším mitotickým indexem ve vzorcích rakoviny prsu.[34]

Podobně mnoho výzkumných studií ukázalo souvislost mezi expresí MCM7 a buněčnou proliferací. Exprese MCM7 významně korelovala s expresí Ki67 v choriokarcinomech, rakovině plic, papilární uroteliální neoplazii, rakovině jícnu a rakovině endometria. Jeho exprese byla také spojena s vyšším proliferačním indexem u prostatické intraepiteliální neoplazie a rakoviny.[35]

Viz také

Reference

  1. ^ A b C d E F Li N, Zhai Y, Zhang Y, Li W, Yang M, Lei J, Tye BK, Gao N (srpen 2015). "Struktura eukaryotického komplexu MCM při 3,8 Å". Příroda. 524 (7564): 186–91. Bibcode:2015 Natur.524..186L. doi:10.1038 / příroda14685. PMID  26222030. S2CID  4468690.
  2. ^ A b Zhai Y, Cheng E, Wu H, Li N, Yung PY, Gao N, Tye BK (březen 2017). „Otevřená struktura komplexu Cdt1-Mcm2-7 jako předchůdce dvojitého hexameru MCM“. Přírodní strukturní a molekulární biologie. 24 (3): 300–308. doi:10.1038 / nsmb.3374. PMID  28191894. S2CID  3929807.
  3. ^ A b C Bochman ML, Schwacha A (prosinec 2009). „Mcmův komplex: odvíjení mechanismu replikativní helikázy“. Recenze mikrobiologie a molekulární biologie. 73 (4): 652–83. doi:10,1 128 / mmbr. 00019-09. PMC  2786579. PMID  19946136.
  4. ^ Shima N, Alcaraz A, Liachko I, Buske TR, Andrews CA, Munroe RJ, Hartford SA, Tye BK, Schimenti JC (leden 2007). „Životaschopná alela Mcm4 způsobuje nestabilitu chromozomů a adenokarcinomy mléčné žlázy u myší“. Genetika přírody. 39 (1): 93–8. doi:10.1038 / ng1936. PMID  17143284. S2CID  11433033.
  5. ^ A b Tye BK (červen 1999). "MCM proteiny v replikaci DNA". Roční přehled biochemie. 68 (1): 649–86. doi:10,1146 / annurev.biochem.68.1.649. PMID  10872463.
  6. ^ Maine GT, Sinha P, Tye BK (březen 1984). "Mutanti S. cerevisiae defektní při udržování minichromozomů". Genetika. 106 (3): 365–85. PMC  1224244. PMID  6323245.
  7. ^ Ausiannikava, Darya; Allers, Thorsten (31. ledna 2017). „Diversity of DNA Replication in the Archaea“. Geny. 8 (2): 56. doi:10,3390 / geny8020056. PMC  5333045. PMID  28146124.
  8. ^ Passmore S, Elble R, Tye BK (červenec 1989). „Protein podílející se na udržování minichromozomů v kvasinkách váže transkripční enhancer konzervovaný u eukaryot“. Geny a vývoj. 3 (7): 921–35. doi:10,1101 / gad. 3.7.721. PMID  2673922.
  9. ^ Chang VK, Fitch MJ, Donato JJ, Christensen TW, Merchant AM, Tye BK (únor 2003). „Mcm1 váže počátky replikace“. The Journal of Biological Chemistry. 278 (8): 6093–100. doi:10,1074 / jbc.M209827200. PMID  12473677.
  10. ^ Merchant AM, Kawasaki Y, Chen Y, Lei M, Tye BK (červen 1997). „Léze v iniciačním faktoru replikace DNA Mcm10 vyvolává pozastavení prodlužovacích vidlic prostřednictvím počátků chromozomální replikace v Saccharomyces cerevisiae“. Molekulární a buněčná biologie. 17 (6): 3261–71. doi:10.1128 / MCB.17.6.3261. PMC  232179. PMID  9154825.
  11. ^ Homesley L, Lei M, Kawasaki Y, Sawyer S, Christensen T, Tye BK (duben 2000). „Mcm10 a komplex MCM2-7 interagují s cílem zahájit syntézu DNA a uvolnit replikační faktory od počátku“. Geny a vývoj. 14 (8): 913–26. doi:10,1101 / gad.14.8.913 (neaktivní 2020-09-01). PMC  316538. PMID  10783164.CS1 maint: DOI neaktivní od září 2020 (odkaz)
  12. ^ Bell SP, Stillman B (květen 1992). „ATP-dependentní rozpoznávání eukaryotických počátků replikace DNA multiproteinovým komplexem“. Příroda. 357 (6374): 128–34. Bibcode:1992 Natur.357..128B. doi:10.1038 / 357128a0. PMID  1579162. S2CID  4346767.
  13. ^ Li N, Lam WH, Zhai Y, Cheng J, Cheng E, Zhao Y, Gao N, Tye BK (červenec 2018). "Struktura komplexu rozpoznávání původu vázaného na počátek replikace DNA". Příroda. 559 (7713): 217–222. Bibcode:2018Natur.559..217L. doi:10.1038 / s41586-018-0293-x. PMID  29973722. S2CID  49577101.
  14. ^ Diffley JF, Cocker JH, Dowell SJ, Harwood J, Rowley A (1995). „Postupné sestavování iniciačních komplexů u začínajících počátků replikace kvasinek během buněčného cyklu“. Journal of Cell Science. Doplněk. 19: 67–72. doi:10.1242 / jcs.1995.supplement_19.9. PMID  8655649.
  15. ^ Ticau S, Friedman LJ, Ivica NA, Gelles J, Bell SP (duben 2015). „Jednomolekulární studie licencí původu odhalují mechanismy zajišťující obousměrné nakládání helikázy“. Buňka. 161 (3): 513–525. doi:10.1016 / j.cell.2015.03.012. PMC  4445235. PMID  25892223.
  16. ^ Coster G, Diffley JF (červenec 2017). „Obousměrná replikace eukaryotické DNA je stanovena kvazi-symetrickým plněním helikázou“. Věda. 357 (6348): 314–318. Bibcode:2017Sci ... 357..314C. doi:10.1126 / science.aan0063. PMC  5608077. PMID  28729513.
  17. ^ Frigola J, He J, Kinkelin K, Pye VE, Renault L, Douglas ME, Remus D, Cherepanov P, Costa A, Diffley JF (červen 2017). „Cdt1 stabilizuje otevřený kroužek MCM pro nakládání helikázy“. Příroda komunikace. 8: 15720. Bibcode:2017NatCo ... 815720F. doi:10.1038 / ncomms15720. PMC  5490006. PMID  28643783.
  18. ^ Ticau S, Friedman LJ, Champasa K, Corrêa IR, Gelles J, Bell SP (březen 2017). „Mechanismus a načasování uzavření kruhu Mcm2-7 během licencování původu replikace DNA“. Přírodní strukturní a molekulární biologie. 24 (3): 309–315. doi:10.1038 / nsmb.3375. PMC  5336523. PMID  28191892.
  19. ^ Yuan Z, Riera A, Bai L, Sun J, Nandi S, Spanos C, Chen ZA, Barbon M, Rappsilber J, Stillman B, Speck C, Li H (březen 2017). „Strukturální základna pro replikativní načítání helikázy Mcm2-7 pomocí ORC-Cdc6 a Cdt1“. Přírodní strukturní a molekulární biologie. 24 (3): 316–324. doi:10.1038 / nsmb.3372. PMC  5503505. PMID  28191893.
  20. ^ Zhai Y, Li N, Jiang H, Huang X, Gao N, Tye BK (červenec 2017). „Unikátní role neidentických podjednotek MCM v licencování replikace DNA“. Molekulární buňka. 67 (2): 168–179. doi:10.1016 / j.molcel.2017.06.016. PMID  28732205.
  21. ^ Randell JC, Bowers JL, Rodríguez HK, Bell SP (leden 2006). „Sekvenční hydrolýza ATP pomocí Cdc6 a ORC směruje zatížení helikázy Mcm2-7“. Molekulární buňka. 21 (1): 29–39. doi:10.1016 / j.molcel.2005.11.023. PMID  16387651.
  22. ^ Tye BK (květen 1994). „Proteiny MCM2-3-5: jsou to licenční faktory replikace?“. Trendy v buněčné biologii. 4 (5): 160–6. doi:10.1016/0962-8924(94)90200-3. PMID  14731643.
  23. ^ Thömmes P, Kubota Y, Takisawa H, Blow JJ (červen 1997). „Složka RLF-M systému replikace licencí tvoří komplexy obsahující všech šest polypeptidů MCM / P1“. Časopis EMBO. 16 (11): 3312–9. doi:10.1093 / emboj / 16.11.3312. PMC  1169947. PMID  9214646.
  24. ^ Kamimura Y, Tak YS, Sugino A, Araki H (duben 2001). „Sld3, který interaguje s Cdc45 (Sld4), funguje pro replikaci chromozomální DNA v Saccharomyces cerevisiae“. Časopis EMBO. 20 (8): 2097–107. doi:10.1093 / emboj / 20.8.2097. PMC  125422. PMID  11296242.
  25. ^ Tada S, Blow JJ (srpen 1998). „Systém licencování replikace“. Biologická chemie. 379 (8–9): 941–9. doi:10,1515 / bchm.1998,379,8-9,941. PMC  3604913. PMID  9792427.
  26. ^ A b Neves H, Kwok HF (srpen 2017). „V nemoci a ve zdraví: Mnoho rolí proteinů udržujících minichromozomy“. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Recenze na rakovinu. 1868 (1): 295–308. doi:10.1016 / j.bbcan.2017.06.001. PMID  28579200.
  27. ^ A b Katou Y, Kanoh Y, Bando M, Noguchi H, Tanaka H, ​​Ashikari T, Sugimoto K, Shirahige K (srpen 2003). „Proteiny kontrolního bodu S-fáze Tof1 a Mrc1 tvoří stabilní komplex zastavující replikaci“. Příroda. 424 (6952): 1078–83. Bibcode:2003 Natur.424.1078K. doi:10.1038 / nature01900. PMID  12944972. S2CID  4330982.
  28. ^ Liu W, Pucci B, Rossi M, Pisani FM, Ladenstein R (červen 2008). „Strukturní analýza N-koncové domény proteinu MCM proteinu Sulfolobus solfataricus“. Výzkum nukleových kyselin. 36 (10): 3235–43. doi:10.1093 / nar / gkn183. PMC  2425480. PMID  18417534.
  29. ^ Brewster AS, Chen XS (červen 2010). „Pohled na funkční mechanismus MCM: ponaučení z archaeal MCM komplexu“. Kritické recenze v biochemii a molekulární biologii. 45 (3): 243–56. doi:10.3109/10409238.2010.484836. PMC  2953368. PMID  20441442.
  30. ^ Barry ER, McGeoch AT, Kelman Z, Bell SD (01.02.2007). „Archaeal MCM má oddělitelnou procesivitu, výběr substrátu a domény helikázy“. Výzkum nukleových kyselin. 35 (3): 988–98. doi:10.1093 / nar / gkl1117. PMC  1807962. PMID  17259218.
  31. ^ Georgescu, Roxana; Yuan, Zuanning; Bai, Lin; de Luna Almeida Santos, Ruda; Sun, Jingchuan; Zhang, Dan; Yurieva, Olga; Li, Huilin; O’Donnell, Michael E. (31. ledna 2017). "Struktura eukaryotické CMG helikázy na replikační vidlici a důsledky pro replisomovou architekturu a zahájení původu". Sborník Národní akademie věd. 114 (5): E697 – E706. doi:10.1073 / pnas.1620500114. PMC  5293012. PMID  28096349.
  32. ^ Patel SS, Picha KM (01.06.2000). "Struktura a funkce hexamerních helikáz". Roční přehled biochemie. 69 (1): 651–97. doi:10,1146 / annurev.biochem.69.1.651. PMID  10966472.
  33. ^ Laskey RA, Madine MA (leden 2003). „Rotační čerpací model pro funkci helikázy MCM proteinů ve vzdálenosti od replikačních vidlic“. Zprávy EMBO. 4 (1): 26–30. doi:10.1038 / sj.embor.embor706. PMC  1315806. PMID  12524516.
  34. ^ Gonzalez MA, Pinder SE, Callagy G, Vowler SL, Morris LS, Bird K, Bell JA, Laskey RA, Coleman N (prosinec 2003). „Minichromozomový udržovací protein 2 je silný nezávislý prognostický marker u rakoviny prsu“. Journal of Clinical Oncology. 21 (23): 4306–13. doi:10.1200 / jco.2003.04.121. PMID  14645419.
  35. ^ Guan B, Wang X, Yang J, Zhou C, Meng Y (srpen 2015). „Komponent 7 pro udržování minichromozomů hraje důležitou roli při invazi papilární uroteliální neoplazie“. Onkologické dopisy. 10 (2): 946–950. doi:10.3892 / ol.2015.3333. PMC  4509410. PMID  26622601.
  36. ^ Cortez D, Glick G, Elledge SJ (červenec 2004). „Minichromozomové udržovací proteiny jsou přímým cílem kináz kontrolních bodů ATM a ATR“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 101 (27): 10078–83. doi:10.1073 / pnas.0403410101. PMC  454167. PMID  15210935.

externí odkazy