Разматывающий элемент ДНК - DNA unwinding element

Раскручивание ДНК в DUE, позволяющее сформировать репликационную вилку для репликации ДНК.

А Разматывающий элемент ДНК (ДОЛЖНЫЙ или же DNAUE) - это место инициации открытия двойная спираль структура ДНК на начало репликации за Синтез ДНК.[1] Он богат A-T и легко денатурирует из-за его низкой спиральной стабильности,[2] что позволяет распознать одноцепочечную область комплекс распознавания происхождения.

DUE находятся в обоих прокариотический и эукариотический организмов, но впервые были обнаружены в происхождении дрожжей и бактерий Хуанг Ковальски.[3][4] Раскручивание ДНК обеспечивает доступ репликационной машине к новым одиночным цепям.[1] У эукариот DUE являются сайтом связывания белков, связывающих элемент, раскручивающий ДНК (DUE-B), необходимых для инициации репликации.[3] У прокариот DUE находятся в виде тандема консенсусные последовательности фланкирует 5'-конец связывающего домена DnaA.[2] Акт раскручивания этих богатых А-Т элементов происходит даже в отсутствие каких-либо связывающих белков происхождения из-за отрицательного суперспирализация сил, что делает его энергетически выгодным действием.[2] DUE обычно обнаруживаются в 30–100 п.н. от начала репликации.[4][5]

Функция

Специфическое раскручивание DUE позволяет инициировать сборку комплекса в месте репликации одноцепочечной ДНК, как обнаружил Хуанг Ковальски.[4] В ДНК-геликаза и связанные ферменты теперь могут связываться с размотанной областью, создавая вилка репликации Начните. Раскручивание этой области дуплексных цепей связано с низким потреблением свободной энергии из-за спиральной нестабильности, вызванной специфическими взаимодействиями стэкинга оснований, в сочетании с противодействием суперспирализации.[4][6] Отрицательная суперспирализация позволяет ДНК оставаться стабильной при плавлении за счет снижения напряжения скручивания.[5] Обнаруживается в источниках репликации как бактерий, так и дрожжей, а также присутствует у некоторых млекопитающих.[5] Оказалось, что длина составляет от 30 до 100 п.н.[4][5]

Прокариоты

У прокариот большую часть времени репликация ДНК происходит из одной единственной точки начала репликации на одной единственной цепи последовательности ДНК. Независимо от того, является ли этот геном линейным или кольцевым, у бактерий есть собственный механизм, необходимый для репликации.[7]

Процесс

В бактериях белок DnaA инициатор репликации.[8] Он загружается в oriC в последовательности DnaA-бокса, где связывает и собирает нити для открытия дуплекса и набора DnaB геликаза с помощью DnaC. DnaA является высококонсервативным и имеет два ДНК-связывающих домена. Прямо перед этим блоком DnaA находятся три тандемных 13-мерных последовательности. Эти тандемные последовательности, обозначенные L, M, R от 5 'до 3', являются бактериальными DUE. Две из трех из этих богатых А-Т областей (M и R) раскручиваются при связывании DnaA с DnaA-боксом через непосредственную близость к раскручивающемуся дуплексу. Последняя 13-мерная последовательность L, наиболее удаленная от этого ящика DnaA, в конечном итоге разворачивается после того, как геликаза DnaB окружает ее. Это формирует репликационный пузырь для продолжения репликации ДНК.[2]

Археи используют более простой гомолог эукариотических комплекс распознавания происхождения чтобы найти начало репликации в последовательностях, называемых блоком распознавания ориджина (ORB).[9]

Благоприятность

Раскручивание этих трех DUE является необходимым шагом для инициации репликации ДНК. Отдаленное притяжение от плавления дуплекса в последовательности бокса DnaA - это то, что вызывает дальнейшее плавление на участках M и R DUE. Затем более удаленный сайт L разворачивается связыванием DnaB. Раскручивание этих 13-мерных сайтов не зависит от oriC-связывающих белков. Разматывание вызывает возникновение отрицательной суперспирали.[2]

Скорость раскрутки ДНК в трех Кишечная палочка Экспериментальное сравнение DUE проводилось с помощью спектроскопии ядерного резонанса. В физиологических условиях эффективность раскрытия каждой из последовательностей, богатых А-Т, отличалась друг от друга. Во многом из-за различных отдаленно окружающих сцен.[2]

Кроме того, было обнаружено, что плавление пар оснований AT / TA происходит намного быстрее, чем плавление пар GC / CG (15-240 с.−1 против ~ 20 с−1). Это поддерживает идею о том, что последовательности A-T эволюционно отдают предпочтение в элементах DUE из-за простоты их раскручивания.[2]

Консенсусная последовательность

Три 13-мерные последовательности, идентифицированные как DUE в E.coli, хорошо законсервированы в начале репликации всех задокументированных кишечные бактерии. Общая консенсусная последовательность была получена путем сравнения консервативных бактерий с образованием последовательности из 11 оснований. E.coli содержит 9 оснований из 11 консенсусной последовательности в своем oriC внутри 13-мерных последовательностей. Эти последовательности обнаруживаются исключительно в единственной точке начала репликации; нигде больше в последовательности генома.[2]

Эукариоты

Механизмы репликации эукариот работают примерно так же, как у прокариот, но регулируются более точно.[10] Необходимо убедиться, что каждая молекула ДНК реплицируется только один раз и что это происходит в нужном месте в нужное время.[7] Действует в ответ на внеклеточные сигналы, координирующие начало деления, по-разному от ткани к ткани. Внешние сигналы запускают репликацию в S-фазе посредством производства циклины которые активируют циклин-зависимые киназы (CDK) с образованием комплексов.[10]

Репликация ДНК у эукариот начинается при комплекс распознавания происхождения (ORC) привязка к источнику. Это происходит в грамм1 клеточная фаза служащий для продвижения клеточного цикла в S фаза. Это связывание позволяет дальнейшему связыванию факторов с образованием пререпликативного комплекса (пре-RC). Пре-RC запускается, чтобы инициироваться, когда с ним связываются циклин-зависимая киназа (CDK) и Dbf4-зависимая киназа (DDK). Затем инициирующие комплексы позволяют рекрутировать активатор геликазы MCM Cdc45 и последующее раскручивание дуплекса в начале.[10][11]

Репликация у эукариот инициируется в нескольких сайтах последовательности, образуя несколько вилки репликации одновременно. Такая эффективность требуется для больших геномов, которые им необходимо воспроизвести.[10]

У эукариот нуклеосома структуры могут усложнять инициацию репликации.[4] Они могут блокировать доступ DUE-B к DUE, тем самым подавляя инициацию транскрипции.[4] Может помешать скорости. Линейная природа эукариотической ДНК по сравнению с прокариотической кольцевой ДНК, однако, легче раскрутить ее дуплекс после того, как она была должным образом развернута из нуклеосомы.[4] Активность DUE может модулироваться факторами транскрипции, такими как ABF1.[4]

Дрожжи

Обычная модельная система дрожжей, которая хорошо представляет репликацию эукариот, - это Saccharomyces cerevisiae.[12] Он обладает автономно реплицирующиеся последовательности (ARS), которые трансформируются и хорошо сохраняются в плазмиде. Некоторые из этих ARS действуют как источники репликации. Эти ARS состоят из трех доменов A, B и C. Домен A - это то место, где согласованное ARS[5] Четвертая последовательность расположена, придумана САУ. Домен B содержит DUE. Наконец, домен C необходим для облегчения белок-белковые взаимодействия.[12] Обнаружено, что ARS распределены по 16 хромосомам, повторяются каждые 30-40 kb.[12]

Между видами эти последовательности ARS вариабельны, но их домены A, B и C хорошо законсервированы.[12] Любые изменения в DUE (домен B) вызывают снижение общей функции ARS в целом при инициации репликации. Это было обнаружено в ходе исследований с использованием имино-обмена и ЯМР-спектроскопия.[2]

Млекопитающие

На сегодняшний день DUE обнаружены в некоторых источниках репликации у млекопитающих. В целом, очень мало источников репликации у млекопитающих было хорошо проанализировано, поэтому трудно определить, насколько распространены DUE в их определенных источниках репликации.[5]

Человеческие клетки до сих пор имеют очень мало подробностей о своем происхождении.[5] Известно, что репликация инициируется в больших областях зоны инициации, связанной с известными белками, такими как ген c-myc и β-глобин. Считается, что те, у кого есть DUE, действуют почти так же, как дрожжевые клетки.[5]

DUE в происхождении плазмид в клетках млекопитающих, SV40, который, как было установлено, связан с гексамером T-ag, который вводит противоположную суперспирацию для увеличения благоприятности разматывания нити.[4]

Млекопитающие с DUE продемонстрировали способность к структурообразованию, которая обеспечивает стабильность однонитевой размотанной ДНК. К ним относятся крестообразные, внутримолекулярные триплексы и др.[5]

DUE-связывающие белки

Белки с раскручивающимся элементом ДНК (DUE-B) обнаружены у эукариот.[3]

Они действуют, чтобы инициировать разделение цепей путем связывания с DUE.[3] Гомологи последовательности DUE-B обнаружены у различных видов животных - рыб, амфибий и грызунов.[3] DUE-B имеют неупорядоченные C-концевые домены, которые связываются с DUE путем распознавания этого C-конца.[3] Никакая другая специфичность последовательности не участвует в этом взаимодействии.[3] Подтверждено индуцированием мутаций по длине последовательности DUE-B, но во всех случаях способность к димеризации остается неизменной.[3] После связывания ДНК С-конец упорядочивается, что придает большую стабильность против протеаза деградация.[3] Всего DUE-B состоит из 209 остатков, 58 из которых неупорядочены до связывания с DUE.[3] DUE-B гидролизует АТФ, чтобы функционировать.[3] Также имеют последовательность, аналогичную аминоацил-тРНК синтетаза, и ранее были классифицированы как таковые.[13] Форма DUE-Bs гомодимеры которые создают расширенный бета-лист вторичная структура, проходящая через нее.[3] Два из этих гомодимеров объединяются, чтобы сформировать общую асимметричную структуру DUE-B.[3]

При образовании пре-RC Cdc45 локализуется в DUE для активности посредством взаимодействия с DUE-B.[11] Обеспечение дуплексной размотки и инициации репликации.[11]

У человека DUE-B на 60 аминокислот длиннее дрожжевого ортолог аналоги.[13] Оба локализуются преимущественно в ядре.[13]

Уровни DUE-B находятся в постоянном количестве, независимо от клеточного цикла.[13] В S фаза тем не менее, DUE-B могут временно фосфорилироваться для предотвращения преждевременной репликации.[13] Активность DUE-B контролируется ковалентно.[13] Сборка этих DUE-B в областях DUE зависит от локальной активности киназы и фосфатазы.[13] DUE-B также может быть понижен миРНК и были замешаны в расширенном G1 этапы.[13]

Последствия мутации

Мутации, которые нарушают раскручивание в сайтах DUE, напрямую препятствуют активности репликации ДНК.[14] Это может быть результатом делеций / изменений в области DUE, добавления реактивных реагентов или добавления определенных нуклеаза.[4] Сайты DUE относительно нечувствительны к точечные мутации однако, сохраняя свою активность при изменении оснований в сайтах связывания белков.[4] Во многих случаях активность DUE можно частично восстановить путем повышения температуры.[4] Может быть восстановлен путем повторного добавления сайта DUE.[3]

Если существует достаточно серьезная мутация DUE, из-за которой он больше не связывается с DUE-B, Cdc45 не может связываться и не будет связываться с фактором транскрипции c-myc. Это может быть восстановлено в связанных с заболеванием (ATTCT) (n) увеличениях длины последовательности DUE. Если активность DUE восстанавливается в избытке, это может вызвать нарушение регуляции образования источника и прогрессирование клеточного цикла.[11]

У эукариот, когда DUE-B выбиты, клетка не переходит в S-фазу своего цикла, где происходит репликация ДНК. Повысился апоптоз приведет к.[3] Но активность может быть уменьшена путем повторного добавления DUE-B, даже от другого вида. Это потому, что DUE-B гомологичны между видами.[3] Например, если DUE-B в Xenopus яйца мутировали, репликации ДНК не произойдет, но их можно спасти, добавив HeLa DUE-B для восстановления полной функциональности.[3]

Рекомендации

  1. ^ а б Ковальски Д., Эдди М.Дж. (декабрь 1989 г.). «Разматывающий элемент ДНК: новый цис-действующий компонент, который способствует раскрытию ориджина репликации Escherichia coli». Журнал EMBO. 8 (13): 4335–44. Дои:10.1002 / j.1460-2075.1989.tb08620.x. ЧВК  401646. PMID  2556269.
  2. ^ а б c d е ж грамм час я Коман Д., Руссу И.М. (май 2005 г.). «Открытие пары оснований в трех элементах, раскручивающих ДНК». Журнал биологической химии. 280 (21): 20216–21. Дои:10.1074 / jbc.M502773200. PMID  15784615.
  3. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q Кемп М., Бэ Б., Ю. Дж. П., Гош М., Леффак М., Наир С.К. (апрель 2007 г.). «Структура и функция c-myc ДНК-раскручивающегося белка, связывающего элемент DUE-B». Журнал биологической химии. 282 (14): 10441–8. Дои:10.1074 / jbc.M609632200. PMID  17264083.
  4. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м DePamphilis ML (1993). «Репликация эукариотической ДНК: анатомия происхождения». Ежегодный обзор биохимии. 62 (1): 29–63. Дои:10.1146 / annurev.bi.62.070193.000333. PMID  8352592.
  5. ^ а б c d е ж грамм час я Потаман В.Н., Пытлос М.Дж., Хашем В.И., Бисслер Дж.Дж., Леффак М., Синден Р.Р. (2006). Wells RD, Ashizawa T. (ред.). Генетическая нестабильность и неврологические заболевания (Второе изд.). Берлингтон: Academic Press. С. 447–460. Дои:10.1016 / B978-012369462-1 / 50031-4. ISBN  9780123694621.
  6. ^ Натале Д.А., Шуберт А.Е., Ковальский Д. (апрель 1992 г.). «Спиральная стабильность ДНК объясняет мутационные дефекты в гене репликации дрожжей». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 89 (7): 2654–8. Дои:10.1073 / pnas.89.7.2654. ЧВК  48720. PMID  1557369.
  7. ^ а б Зискинд Дж. В., Смит Д. В. (2001). Бреннер С., Миллер Дж. Х. (ред.). Энциклопедия генетики. Нью-Йорк: Academic Press. С. 1381–1387. Дои:10.1006 / rwgn.2001.0938. ISBN  9780122270802.
  8. ^ Чодаварапу С., Кагуни Дж. М. (01.01.2016). Кагуни LS, Oliveira MT (ред.). Ферменты. Репликация ДНК по таксонам. 39. Академическая пресса. С. 1–30.
  9. ^ Белл SD (2012). «Архейские белки orc1 / cdc6». Субклеточная биохимия. Субклеточная биохимия. 62: 59–69. Дои:10.1007/978-94-007-4572-8_4. ISBN  978-94-007-4571-1. PMID  22918580.
  10. ^ а б c d Bhagavan, N.V .; Ха, Чунг-Ын (2015). Основы медицинской биохимии (второе издание). Сан-Диего: Academic Press. С. 401–417. ISBN  9780124166875.
  11. ^ а б c d Чоудхури А., Лю Дж., Кемп М., Чен Х, Катранги Н., Майерс С., Гош М., Яо Дж., Гао Й, Бубуля П., Леффак М. (март 2010 г.). «Связывающий белок DUE-B с раскручивающимся элементом ДНК взаимодействует с Cdc45 при образовании преинициативного комплекса». Молекулярная и клеточная биология. 30 (6): 1495–507. Дои:10.1128 / MCB.00710-09. ЧВК  2832489. PMID  20065034.
  12. ^ а б c d Дхар МК, Сегал С., Каул С. (май 2012 г.). «Структура, эффективность репликации и хрупкость дрожжевых элементов АРС». Исследования в области микробиологии. 163 (4): 243–53. Дои:10.1016 / j.resmic.2012.03.003. PMID  22504206.
  13. ^ а б c d е ж грамм час Каспер Дж. М., Кемп М. Г., Гош М., Рэндалл Г. М., Вайллант А., Леффак М. (апрель 2005 г.). «Белок, связывающий элемент с раскручивающимся ДНК c-myc, модулирует сборку комплексов репликации ДНК in vitro». Журнал биологической химии. 280 (13): 13071–83. Дои:10.1074 / jbc.M404754200. PMID  15653697.
  14. ^ Умек Р.М., Ковальский Д. (ноябрь 1990 г.). «Раскручивающийся элемент ДНК в ориджине репликации дрожжей функционирует независимо от легко раскручиваемых последовательностей, присутствующих где-либо в плазмиде». Исследования нуклеиновых кислот. 18 (22): 6601–5. Дои:10.1093 / nar / 18.22.6601. ЧВК  332616. PMID  2174542.