Время репликации - Replication timing

Рисунок 1: Схема клеточного цикла. внешнее кольцо: I = Межфазный, M = Митоз; внутреннее кольцо: M = Митоз, ГРАММ1 = Разрыв 1, ГРАММ2 = Разрыв 2, S = Синтез; не в ринге: G0 = Разрыв 0 / Отдых.

Время репликации относится к порядку, в котором удваиваются сегменты ДНК по длине хромосомы.

Репликация ДНК

фигура 2: Репликация происходит через почти синхронное срабатывание кластеров источников репликации, которые реплицируют сегменты хромосомной ДНК («домены репликации») в определенные периоды времени во время S-фазы.
Рисунок 3: Анимированная последовательность репликации.

В эукариотические клетки (клетки, которые упаковывают свою ДНК в ядро), хромосомы состоят из очень длинных линейных двухцепочечных молекул ДНК. Во время S-фазы каждого клеточный цикл (Рисунок 1), вся ДНК в клетке дублируется, чтобы предоставить по одной копии каждой дочерней клетке после следующего деления клетки. Процесс дублирования ДНК называется Репликация ДНК, и это происходит сначала путем раскручивания дуплексной молекулы ДНК, начиная с множества мест, называемых источниками репликации ДНК, после чего следует процесс распаковки, который раскручивает ДНК по мере ее копирования. Однако репликация из разных источников не запускается одновременно. Скорее, существует определенный временной порядок, в котором срабатывают эти источники. Часто несколько смежных источников открываются, чтобы дублировать сегмент хромосомы, за которым через некоторое время следует другая группа источников, открывающаяся в соседнем сегменте. Репликация не обязательно начинается каждый раз в одних и тех же исходных сайтах, но кажется, что сегменты реплицируются в одной и той же временной последовательности, независимо от того, где именно в каждом сегменте начинается репликация. фигура 2 показывает карикатуру того, как это обычно должно происходить, а Рисунок 3 показывает анимацию, когда разные сегменты реплицируются в одном типе клетки человека.

Профили времени репликации

Рисунок 4: Схематическое представление времени репликации в сегменте хромосомы 2 человека размером 70 мегабайт. Красная горизонтальная линия представляет время в S-фазе от раннего (вверху) до позднего (внизу). Каждая из серых точек данных представляет собой различное положение последовательности ДНК по длине хромосомы 2, как показано на оси x, с более положительными значениями на оси y, указывающими на более раннюю репликацию. Сглаженная линия (синяя) проведена через данные для визуализации доменов с разным временем репликации. Красные полосы в верхней части изображения показывают ДНК, которая реплицировалась в данный момент в S-фазе.

Временной порядок репликации всех сегментов генома, называемый программой времени репликации, теперь можно легко измерить двумя разными способами.[1] Один из способов просто измеряет количество различных последовательностей ДНК по длине хромосомы на клетку. Последовательности, которые дублируются первыми, задолго до деления клеток, будут более многочисленны в каждой клетке, чем последовательности, которые реплицируются последними непосредственно перед делением клетки. Другой способ - пометить вновь синтезированную ДНК химически помеченными нуклеотидами, которые включаются в цепи по мере их синтеза, а затем улавливать клетки в разное время в процессе дупликации и очищать ДНК, синтезированную в каждый из этих периодов, с помощью химической метки. В любом случае мы можем измерить количество различных последовательностей ДНК по длине хромосомы либо напрямую, используя машину, которая считывает, сколько каждой последовательности присутствует, либо косвенно, используя процесс, называемый гибридизацией микрочипов. В любом случае временной порядок репликации по длине каждой хромосомы может быть отображен в графической форме для получения «временного профиля репликации». Рисунок 4 показывает пример такого профиля для 70 000 000 пар оснований хромосомы 2 человека.[2]

Время репликации и структура хромосомы

Рисунок 5. Ядро женской клетки околоплодных вод. Вверху: обе территории X-хромосомы обнаруживаются РЫБЫ. Показан одиночный оптический разрез, выполненный с конфокальный микроскоп. Внизу: То же ядро, окрашенное DAPI и записан с CCD камера. Тело Барра обозначено стрелкой, оно обозначает неактивный X (Xi).

В настоящее время очень мало известно ни о механизмах, управляющих временной программой, ни о ее биологическом значении. Однако это интригующий клеточный механизм, связанный со многими плохо изученными особенностями сворачивания хромосом внутри ядра клетки. У всех эукариот есть временная программа, и эта программа аналогична у родственных видов.[3][4][5][6][7] Это говорит о том, что он либо важен сам по себе, либо что-то важное влияет на программу. Маловероятно, что репликация ДНК в определенном временном порядке необходима просто для основной цели дублирования молекулы ДНК. Скорее всего, это связано с каким-то другим хромосомным свойством или функцией. Время репликации коррелирует с экспрессией генов, так что генетическая информация, используемая в клетке, обычно реплицируется раньше, чем информация, которая не используется. Мы также знаем, что программа времени репликации изменяется во время развития вместе с изменениями экспрессии генов.

Уже много десятилетий известно, что время репликации коррелирует со структурой хромосом. Например, самки млекопитающих имеют две Х-хромосомы. Один из них генетически активен, а другой инактивирован на ранних этапах развития. В 1960 году Дж. Х. Тейлор[8] показали, что активные и неактивные Х-хромосомы реплицируются по разному паттерну, причем активный X реплицируется раньше, чем неактивный X, тогда как все другие пары хромосом реплицируются по тому же временному паттерну. Это также заметили Мэри Лайон[9] что неактивный X принял конденсированную структуру в ядре, называемую Тело Барра[10] (Рисунок 5) в то же время в процессе развития, как генетическая инактивация хромосомы.

Это не может стать большим сюрпризом, поскольку упаковка ДНК с белками и РНК в хроматин происходит сразу после синтеза ДНК. Таким образом, время репликации определяет время сборки хроматина. Менее интуитивно понятна взаимосвязь между временем репликации и трехмерным расположением хроматина в ядре. В настоящее время общепризнано, что хроматин не организован случайным образом в ядре клетки, но положение каждого домена хромосомы относительно соседних с ним доменов характерно для разных типов клеток, и после того, как эта география установлена ​​в каждой вновь образованной клетке, хромосома домены не перемещаются заметно до следующего деления клетки.[11][12] Во всех многоклеточных организмах, где это было измерено, ранняя репликация происходит внутри ядра, а хроматин по периферии реплицируется позже. Недавно разработанные методы измерения точек соприкосновения разных частей хромосом почти идеально совпадают с точками их репликации.[3] Другими словами, области, которые реплицируются рано или поздно, упаковываются таким образом, чтобы быть пространственно сегрегированными в ядре, с промежуточной ДНК, содержащей области с пониженной исходной активностью.[7][13] Одна возможность состоит в том, что эти различные компартменты в ядре, созданные и поддерживаемые без помощи мембран или физических барьеров, устанавливают пороговые значения для инициации репликации, так что более доступные области реплицируются первыми.[14]

Сроки репликации и болезнь

Другой интригующий аспект времени репликации состоит в том, что временной порядок репликации нарушается при большинстве видов рака и многих заболеваний.[15] Мы еще не понимаем механизмы, лежащие в основе этой связи, но это предполагает, что дальнейшие исследования могут выявить изменения времени репликации как полезные биомаркеры для таких заболеваний. Тот факт, что теперь это можно измерить с относительной легкостью, указывает на то, что вскоре у нас будет большой объем информации о том, где и когда происходят большие изменения в укладке хромосом во время развития и при различных заболеваниях.

Рекомендации

  1. ^ Гилберт Д.М. (2010) Оценка подходов к репликации эукариотической ДНК на уровне генома. Нат Рев Генет 11: 673-684.
  2. ^ Рыба Т., Батталья Д., Папа Б.Д., Хиратани И., Гилберт Д.М. (2011) Анализ времени репликации в масштабе генома: от лаборатории до биоинформатики. doi 10.1038 / nprot.2011.328.
  3. ^ а б Рыба Т., Хиратани И., Лу Дж., Ито М., Кулик М. и др. (2010) Эволюционно консервативные временные профили репликации предсказывают дальнодействующие взаимодействия хроматина и различают тесно связанные типы клеток. Genome Res 20: 761-770.
  4. ^ Pope BD, Hiratani I, Gilbert DM (2010) Общедоменная регуляция времени репликации ДНК во время развития млекопитающих. Хромосома Res 18: 127-136.
  5. ^ Schwaiger M, Stadler MB, Bell O, Kohler H, Oakeley EJ и др. (2009) Состояние хроматина отмечает репликацию генома дрозофилы, специфичную для клеточного типа и пола. Genes Dev 23: 589-601.
  6. ^ Hiratani I, Takebayashi S, Lu J, Gilbert DM (2009) Время репликации и контроль транскрипции: за пределами причины и следствия - часть II. Curr Opin Genet Dev 19: 142-149.
  7. ^ а б Фаркаш-Амар С., Саймон И. (2010) Полногеномный анализ программы репликации у млекопитающих. Хромосома Res 18: 115-125.
  8. ^ Тейлор Дж. Х. (1960) Асинхронное дублирование хромосом в культивируемых клетках китайского хомячка. J Biophys Biochem Cytol 7: 455-464.
  9. ^ Лион М.Ф. (1961) Действие гена в Х-хромосоме мыши (Mus musculus L.). Nature 190: 372-373.
  10. ^ Barr ML, Bertram EG (1949) Морфологическое различие между нейронами мужского и женского пола и поведение ядрышкового сателлита во время ускоренного синтеза нуклеопротеидов. Природа 163: 676.
  11. ^ Lanctot C, Cheutin T, Cremer M, Cavalli G, Cremer T (2007) Динамическая архитектура генома в ядерном пространстве: регуляция экспрессии генов в трех измерениях. Нат Рев Генет 8: 104-115.
  12. ^ Walter J, Schermelleh L, Cremer M, Tashiro S, Cremer T (2003) Порядок хромосом в клетках HeLa изменяется во время митоза и на ранней стадии G1, но стабильно сохраняется во время последующих межфазных стадий. J Cell Biol 160: 685-697.
  13. ^ Гуан З., Хьюз С.М., Косиятракул С., Норио П., Сен Р. и др. (2009) Снижение активности начала репликации в регионах с временным переходом. J Cell Biol 187: 623-635.
  14. ^ Gilbert DM (2001) Ядерная позиция накладывает свой отпечаток на время репликации. J Cell Biol 152: F11-16.
  15. ^ Watanabe Y, Maekawa M (2010) Пространственно-временная регуляция репликации ДНК в геноме человека и ее связь с геномной нестабильностью и болезнью. Curr Med Chem 17: 222-233.

внешняя ссылка