염색체 복제 제어

Control of chromosome duplication
세포 주기 내 염색체 복제 개요

세포 생물학에서 진핵생물은 DNA 복제가 세포 주기당 한 번만 발생하도록 보장하는 규제 시스템을 가지고 있다.

eukaryotes에서 DNA 복제 메커니즘의 주요 특징은 상대적으로 큰 게놈을 빠르게, 그리고 높은 충실도로 복제하도록 설계되었다는 것이다.복제는 여러 염색체에서 동시에 복수의 복제 기원에서 시작되어 S상 지속시간이 DNA 총량에 의해 제한되지 않는다.[1]게놈 크기의 이러한 유연성은 비용이 많이 든다: 여러 복제 기원을 조정하여 각 S 단계에서 한 번만 활성화되도록 하는 높은 신뢰도 제어 시스템이 있어야 한다.만약 그렇지 않다면, 딸 세포는 과도한 양의 DNA 염기서열을 물려받을 수 있고, 이것은 많은 해로운 영향을 초래할 수 있다.[2]

복제 원본

진핵생물에서의 복제는 초기 단백질의 복합체들이 나선을 묶고 풀어주는 복제 기원에서 시작된다.[3]진핵생물에서는 DNA 염기서열, 염색질 구조, 그리고 다른 요소들의 정확한 조합이 이들 부지를 정의하는 것은 여전히 불분명하다.이러한 요인의 상대적 기여는 유기체마다 다르다.효모 기원은 주로 DNA 염기서열 모티브에 의해 정의되는 반면, 다른 유기체에서의 기원은 국소 염색체 구조에 의해 정의되는 것처럼 보인다.[3]

효모

싹이 돋아나는 효모의 기원은 DNA의 어떤 염기서열로 옮겨졌을 때 복제를 시작할 수 있는 DNA(100~200bp)의 짧은 연장선인 자율복제순서(ARS)에 의해 정의된다.[3][4]ARS에는 몇 가지 특정 시퀀스 요소가 포함되어 있다.그 중 하나는 A 요소(ACS)로, 아데닌과 흉선이 풍부한 11bp 일치 시퀀스로서 시작에 필수적이다.ACS의 단일 베이스 페어 돌연변이는 개시 활동을 폐지할 수 있다.[3][5]개시 단지의 구성요소인 ORC는 세포 주기 전체에 걸쳐 체내 ACS를 결합하고, 체외 ATP 종속 방식으로 결합한다.이러한 염기서열 중 몇 개가 삭제될 때, DNA는 여전히 다른 온전한 기원에서 복사되지만, 많은 염기서열이 삭제되면 염색체 복제가 급격히 느려진다.[3]그러나 ACS 시퀀스의 존재는 복제의 원점을 식별하기에 충분하지 않다.게놈에 존재하는 ACS 시퀀스의 약 30%만이 개시 활동의 현장이다.[4]핵분열 효모에서 유래된 효모에는 진원 기능에 중요한 흉선과 아데닌이 풍부한 긴 DNA가 포함되어 있지만 강한 염기서열 유사성을 보이지는 않는다.[3]

동물

동물의 경우, 원점 활동을 지시하는 보존도가 높은 시퀀스 요소가 발견되지 않았으며, 복제 원점의 공통적인 특징을 식별하는 것이 어렵다는 것이 입증되었다.어떤 위치에서는 비교적 정의가 가능한 작은 DNA 확장 내에서 시작이 발생하는 반면, 다른 위치에서는 10-50kb의 더 큰 시작 영역이 원점 활동을 지시하는 것처럼 보인다.[3]시퀀스 레벨에서는 AT 리치 요소와 CpG 섬이 원점에서 발견되었지만, 그 중요성이나 역할은 아직 명확하지 않다.DNA 구조 수준에서 구부러진 DNA와 루프 형성이 원점 특징으로 확인되었다.염색질 수준에서 식별된 특징에는 뉴클레오솜 자유 영역, 히스톤 아세틸화 및 DNAse 민감 부위가 포함된다.[4]

사전 복제 콤플렉스

사전 RC 조립은 ORC 서브유닛, Cdc6 및 Cdt1과 Mcm2-7 복합체의 조립을 포함한다.

DNA 복제가 시작되기 전에, 사전 재생성 복합체는 DNA에 헬리코아제를 적재하기 위해 원래부터 조립된다.그 복합체는 늦은 유사 분열과 G1 초기에 조립된다.이러한 사전복제 복합체(pre-RCs)의 조립은 세포주기와 DNA 복제를 조정하는 방식으로 규제된다.[6]

사전 RC의 구성 요소

ORC

ORC는 DNA를 결합하고 염색체에 추가 복제 인자가 모일 수 있는 부지를 제공하는 6개 서브 유닛 복합체다.그것은 효모 기원의 보존된 A 원소와 B1 원소를 결합하는 능력에 의해 S. 세레비시아에서 확인되었다.그것은 Eukaryotes의 복제 시스템의 보존된 기능이다.[6]Drosophila에 대한 연구는 다중 Drosophila ORC 하위 단위의 열성 치사 돌연변이가 통합된 BrdU의 양을 줄인다는 것을 보여주었다.[7]Xenopus 추출물에 대한 연구는 ORC 하위 단위의 면역 결핍이 Xenopus 정자핵의 DNA 복제를 억제한다는 것을 보여준다.어떤 유기체에서는 ORC가 세포 주기 전반에 걸쳐 염색질과 연관되어 있는 것처럼 보이지만, 다른 유기체에서는 세포 주기의 특정 단계에서 분리된다.[6]

Cdc6 및 Cdt1

Cdc6와 Cdt1은 ORC에 모여 Mcm 단백질을 모집한다.[3]이 두 가지 세레비시아 단백질에 대한 동음이의어는 모든 진핵생물에서 발견되었다.[3]연구는 이러한 단백질들이 DNA 복제를 위해 필요하다는 것을 보여주었다.S. 퐁베 cdt1의 돌연변이가 DNA 복제를 막았다.[6]

맥콤 콤플렉스

mcm 2-7은 6단위 단지를 형성하며 헬리코아제 활성이 있는 것으로 생각된다.[2]그 단지의 어떤 하나의 서브 유닛을 삭제하는 것은 효모에 치명적인 표현형을 가지고 있다.[6]Xenopus에 대한 연구는 Mcm2-7 단지가 DNA 복제 기계의 중요한 구성요소라는 것을 밝혀냈다.[6]"S. cerebisiae"에서 Mcm 단백질의 온도에 민감한 돌연변이가 불활성화되면서 S단계에서 불활성화가 발생하면 DNA 복제가 중단되고, 더 일찍 불활성화가 발생하면 복제가 시작되는 것을 막았다.[6]생화학적 데이터는 Mcm 콤플렉스가 헬리코아제라는 가설을 뒷받침하지만, 모든 종에서 헬리코아제 활성화가 검출되지는 않았으며, 일부 연구에서는 맥m 서브유닛 중 일부가 헬리코아제 역할을 하는 반면, 다른 서브유닛은 이 활동의 억제제 역할을 한다고 제시하고 있다.만약 이것이 사실이라면, Mcm 콤플렉스의 활성화는 아마도 서브유닛의 재배치를 포함할 것이다.[6]

사전 RC복합체 조립규정

후기 M과 초기 G1로 제한된 사전 RC 조립

2단계 메커니즘은 DNA가 사이클당 한 번만 복제되도록 보장한다.사전RC 복합체(라이선싱)의 조립(라이선싱)은 CDK 활성도가 낮아야만 발생할 수 있고, APC 활성도가 높기 때문에 늦은 유사분열과 초기 G1로 제한된다.원점 발사는 APC가 비활성화되고 CDK가 활성화된 S상에서만 발생한다.[1]

효모

싹이 트는 효모에서 CDK는 사전RC 어셈블리의 핵심 조절기다.[3]이에 대한 증거는 G2/M 또는 S 단계에서 체포된 세포에서 CDK의 비활성화가 사전 RC의 재조립을 유도한다는 것이다.[1] CDK는 사전 RC의 개별 구성요소를 억제함으로써 작용한다.CDK 인산염은 G1 말기 및 S 초기 단계에서 SCF에 의한 열화를 표시하기 위해 Cdc6를 나타낸다.[1]cdk는 mcm단지와 cdt1의 핵 수출을 유도하기도 한다.[1]CDK가 Mcm2-7의 국산화규제를 규제한다는 증거는 노코다졸의 CDK 불활성화가 핵에 Mcm2-7 축적을 유도했다는 것이다.[1]cdt1도 mcm 단지에 묶이기 때문에 수출된다.맥엠이 고갈된 세포에서 Cdt1은 핵에 축적되지 않았다.반대로 핵 국산화 신호가 맥m7에 부착되면 항상 mcm2-7과 cdt1이 핵에서 발견됐다.[1]핵에서 Mcm의 수출은 새로운 Mcm 단지의 하중을 막지만 이미 DNA에 적재된 단지에 영향을 미치지 않는다. CDK는 [3]또한 인산염 ORC 단백질도 가지고 있다.인산화 작용이 ORC의 다른 구성요소를 결합하는 능력에 영향을 미친다는 것이 제안되었다.[3]DNA의 실질적인 재복제를 위해서는 Cdc6, Mcm2-7, ORC의 세 가지 성분에 대한 규제가 모두 방지되어야 한다.재복제를 막기 위한 여러 메커니즘을 갖는 것은 하나의 구성요소가 고장나더라도 규제 네트워크가 계속 기능하기 때문에 이롭다.[3]

동물

Geminin은 사전 Rc 어셈블리의 중요한 억제제인 메타조안 세포다.[3]제미닌은 Xenopus의 APC/C 기판 화면에서 확인되었다.[8]제미닌이 cdt1에 바인딩해 사전_RC 조립을 방지하고 사전 RC와의 연계를 방지한다는 연구결과가 나왔다.[9]게미닌은 APC/C에 의해 분해되기 때문에 G1에서 발생하는 APC/C 활성도가 높을 때만 사전 Rc 조립을 진행할 수 있다.[1]메타조안 세포에서 재허가를 막는 데 CDK의 중요성은 여전히 불분명하다.일부 연구는 어떤 조건 하에서 CDK도 라이선스를 촉진할 수 있다는 것을 보여주었다.G0 포유류 세포에서 Cdc6의 APC 매개 분해는 라이선스를 방지한다.그러나 세포가 증식 상태로 전환되면 CDK인산화질소는 Cdc6를 안정화시켜 제민 등 인허가 억제제가 축적되기 전에 이를 원점에 축적·결합할 수 있게 한다.[10]

복제 원본 활성화

셀 주기 전체에 걸친 Cdc7 활동 규정

사전RC 단지는 잠재적 원산지 활성화 부지를 표시하지만 복제(원산지 발사)를 활성화하려면 이들 부지에 단백질과 단지가 추가로 모여야 한다.출처를 활성화하기 위해서는 다음과 같은 사건이 일어나야 한다: DNA 나선은 열려야 하고, 헬리카아제는 활성화되어야 하며, DNA 중합체와 나머지 복제 기계는 DNA에 적재되어야 한다.[3]이러한 이벤트는 사전 복제 콤플렉스가 적재된 복제 원점에서 사전 초기화 콤플렉스를 형성하기 위해 여러 단백질의 조합에 의존한다.[3]사전 개시 복합체의 조립은 S-Cdks와 단백질 키나아제 Cdc7의 활동에 따라 달라진다.사전초기화단지는 맥름 헬리코아제를 활성화하고 DNA 중합효소를 모집한다.[3]셀이 새로운 셀 사이클로 커밋되면 Start 체크포인트를 통과한 후 G1과 G1/S 사이클린 CDK 콤플렉스가 활성화된다.이것들은 복제 기계와 S-Cdk Cylin 콤플렉스의 표현을 활성화시킨다.S-Cdks와 G1/S Cdks는 복제 원본을 활성화하기 위해 작용한다.[6]동시에 S-Cdks는 S 사이클린 수치가 높게 유지되는 S상, G2 및 초기 M 동안 새로운 사전 RC 형성을 억제한다.Cdc7은 G1 후반에 활성화되며 원산지 사격을 위해 S단계 전반에 걸쳐 필요하다.이 단백질에서 싹이 트는 효모에서의 돌연변이와 핵분열 효모에서의 동음이의 돌연변이는 복제의 시작을 막는다.Cdc7은 보존율이 매우 높다 – 개구리와 인간에게서 관련 단백질이 확인되었다.DNA 복제는 Cdc7 호몰로고가 개구리나 인간 세포의 항체로 억제될 때 억제된다.CDK와 Cdc7이 단지 단백질 조립을 원점에서만 규제하는 것인지, 아니면 사전 개시 단지의 성분을 직접 활성화하는 것인지는 알려지지 않았다.[6]

CdK의 역할

S. cerebisiae에서는 S cyclins Clb5와 Clb6가 복제를 시작하는 데 중요한 역할을 한다.개구리 배아에서 사이클린 E-Cdk2는 주로 기원을 활성화시키는 역할을 한다.항체가 있는 사이클린 E를 제거하면 복제가 차단된다.사이클린 E-CDK2는 드로소필라에서도 중요하다.S상 동안 사이클린 E의 레벨이 상승하여 Cdk2를 활성화한다.[6]

Cdc7의 역할

Cdc7 레벨은 셀 사이클 전체에 걸쳐 비교적 일정하게 유지되지만, 그 활성도는 다양하다.그것의 활동량은 G1에서 낮고, G1 후반에 증가하며, 늦은 유사까지 높은 상태를 유지한다.Dbf4는 Cdc7 활동의 핵심 규제 기관으로, Dbf4와 Cdc7을 연결하면 키나제 활동이 활성화된다.사이클린 레벨과 유사한 방식으로 dbf4 레벨은 셀 사이클 전체에 걸쳐 변동한다.[6]시험관내 생화학적 연구에서는 Cdc7-Dbf4 인산염은 mcm 복합체의 개별 성분으로 나타났다.개시 당시 염색질에 대한 Cdc45의 채용에도 관여하고 있는 것으로 보인다.제노푸스 알에서 Cdc45는 DNA 중합효소 α와 상호작용하는 것으로 나타났으며, 효모에서는 Cdc45의 돌연변이가 원점에서 DNA pol α의 조립을 방해하여, Cdc45는 DNA pol α를 Chdc7/Dbf4 의존적인 방식으로 염색질에 채용한다는 것을 시사한다.[3][6]

참조

  1. ^ a b c d e f g h Diffley, J.F. (2008). "Regulation of Early Events in Chromosome Replication". Curr. Biol. 14 (18): R778–R786. doi:10.1016/j.cub.2004.09.019. PMID 15380092.
  2. ^ a b Kearsey, S.E.; Cotteril, S. (2003). "Enigmatic variations: divergent modes of regulating eukaryotic DNA replication". Mol. Cell. 12 (5): 1067–1075. doi:10.1016/S1097-2765(03)00441-6. PMID 14636567.
  3. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r David Owen Morgan (2007). The Cell Cycle: Principles of Control. New Science Press. ISBN 978-0-19-920610-0.
  4. ^ a b c Mechali, M. (2010). "Eukaryotic DNA replication origins: many choices for appropriate answers". Nature Reviews Molecular Cell Biology. 11 (10): 728–738. doi:10.1038/nrm2976. PMID 20861881.
  5. ^ Gilbert, D.M. (2001). "Making sense of eukaryotic replication origins". Science. 294 (5540): 96–100. doi:10.1126/science.1061724. PMC 1255916. PMID 11588251.
  6. ^ a b c d e f g h i j k l m Bell, S.P.; Dutta, A. (2002). "DNA replication in eukaryotic cells". Annu. Rev. Biochem. 71: 333–374. doi:10.1146/annurev.biochem.71.110601.135425. PMID 12045100.
  7. ^ Pflumm, M.F.; Bochtan, M.R. (2001). "Orc mutants arrest in metaphase with abnormally condensed chromosomes". Development. 128 (9): 1697–1707. PMID 11290306.
  8. ^ T.J. McGarry; M.W. Kirschner (1998). "Geminin, an inhibitor of DNA replication, is degraded during mitosis". Cell. 93 (6): 1043–1053. doi:10.1016/S0092-8674(00)81209-X. PMID 9635433.
  9. ^ J.A. Wohlschlegel; B.T. Dwyer; S.K. Dhar; C. Cvetic; J.C. Walter; A. Dutta (2000). "Inhibition of eukaryotic DNA replication by geminin binding to Cdt1". Science. 290 (5500): 2309–2312. doi:10.1126/science.290.5500.2309. PMID 11125146.
  10. ^ Mailand, N.; Diffley J.F. (2005). "CDKs promote DNA replication origin licensing in human cells by promoting Cdc6 from APC/C dependent proteolysis". Cell. 122 (6): 915–926. doi:10.1016/j.cell.2005.08.013. PMID 16153703.