6.6
دورة الخلية عبارة عن سلسلة من الأحداث التي تؤدي إلى تضاعف الحمض النووي يليه انقسام محتوى الخلية لتكوين خليتين ابنتين. تتقدم دورة الخلية في أربع مراحل…
في حقيقيات النوى ، يحدث تكرار الحمض النووي خلال المرحلة S من دورة الخلية. يتحكم نظام التحكم في دورة الخلية ، الذي يتكون من شبكة من البروتينات التنظيمية ، في تطور دورة الخلية.
كيناز المعتمد على السيكلين في المرحلة S ، أو S-Cdks ، عبارة عن مجمعات إنزيمية تشارك في التحكم في دورة الخلية أثناء المرحلة S. يضمن نظام التحكم هذا نسخ كل نيوكليوتيدات في الجينوم مرة واحدة فقط أثناء النسخ المتماثل.
يبدأ تكرار الحمض النووي في أصول النسخ المتماثل ، الموجود في مواقع متعددة في الكروموسومات. قبل بدء النسخ المتماثل ، ترتبط المجمعات متعددة البروتينات التي تسمى مجمعات التعرف على الأصل بالحمض النووي وتعمل كمواقع لرسو السفن للبروتينات الأخرى.
خلال المرحلة المبكرة من G1 من دورة الخلية ، ترتبط البروتينات التنظيمية Cdc6 و Cdt1 ب ORCs ، وتساعد في تجميع مجموعة من البروتينات تسمى بروتينات MCM في مجمعات حلقية غير نشطة على الحمض النووي المجاور ، وبالتالي تشكيل مجمعات كبيرة متعددة البروتينات تسمى المجمعات السابقة للتكاثر أو ما قبل RCs. تعمل MCMs كهليكازات الحمض النووي للنسخ المتماثل.
في بداية المرحلة S ، يتم تنشيط S-Cdks وإطلاق إطلاق الأصل ، أو بدء تكرار الحمض النووي ، عن طريق فسفرة بروتينات بادئ محددة. تعزز بروتينات البادئ الفسفرية تجنيد مجمعات منشط الهليكياز. تنشط هذه المجمعات هيليكاز الحمض النووي وتجنيد بوليميراز الحمض النووي ، مما يؤدي إلى النسخ المتماثل.
لا تبدأ S-Cdks النسخ المتماثل فحسب ، بل تمنع أيضا إعادة النسخ المتماثل من الحدوث في نفس الأصل.
تقومS-Cdks بفسفرة بروتينات Cdc6 و Cdt1 ، مما يعزز إطلاقها من ORCs ، مما يؤدي إلى التحلل ، وتفكيك ما قبل RCs.
بعد تكرار الحمض النووي ، عندما تنفصل الهليكازات عن خيط الحمض النووي ، تقوم S-Cdks بفسفرة الهليكيازات ، مما يؤدي إلى تصديرها من النواة.
تمنع آلية التحكم في دورة الخلية التي تتضمن S-Cdks إعادة بدء النسخ المتماثل ، وبالتالي ضمان حدوث تكرار الحمض النووي مرة واحدة فقط لكل دورة خلية.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What role do S-Cdks play in initiating DNA replication?
S-Cdks are enzyme complexes activated at the onset of S-phase that trigger origin firing by phosphorylating specific initiator proteins. These phosphorylated proteins promote recruitment of helicase activator complexes, which activate DNA helicases and recruit DNA polymerase, leading to replication initiation at multiple chromosomal origins.
Q2: How do pre-replicative complexes form during the cell cycle?
During early G1-phase, regulatory proteins Cdc6 and Cdt1 bind to origin recognition complexes on DNA. These proteins aid assembly of MCM proteins into inactive ring complexes on adjacent DNA, forming large multiprotein structures called pre-replicative complexes that prepare origins for replication.
Q3: What mechanism prevents re-replication at the same origin?
S-Cdks prevent re-replication by phosphorylating Cdc6 and Cdt1 proteins, promoting their release from origin recognition complexes and triggering their degradation. This disassembles pre-replicative complexes, converting origins to a post-replicative state where high Cdk activity persists throughout S-phase and mitosis, ensuring DNA replicates only once.
Q4: How does Cdk activity control each round of DNA replication?
Low Cdk activity at the end of M-phase permits pre-replicative complex assembly, creating a replication-competent state. During the G1-S transition, increased Cdk activity triggers replication initiation and disassembles pre-replicative complexes. Persistent high Cdk activity throughout S-phase prevents re-assembly until mitosis ends and activity reduces.
Q5: What happens to MCM proteins after DNA replication is complete?
MCM proteins function as DNA helicases during replication. After replication completes and helicases disengage from the DNA strand, S-Cdks phosphorylate these helicases, triggering their export from the nucleus and preventing them from re-initiating replication at the same origin during the cell cycle.
Q6: Why do origins of replication exist in two distinct states?
Origins exist in two states to regulate replication timing and prevent re-replication. The pre-replicative complex state in G1-phase creates a replication-competent origin. The post-replicative complex state from S-phase through M-phase, maintained by high Cdk activity, prevents re-replication and ensures DNA duplicates only once per cell cycle.
Q7: What is the relationship between origin recognition complexes and replication initiation?
Origin recognition complexes bind to DNA at multiple chromosomal locations and serve as docking sites for regulatory proteins like Cdc6 and Cdt1. These complexes anchor the assembly of pre-replicative complexes, which become competent for replication when S-Cdks are activated and phosphorylate initiator proteins during S-phase.