6.6
מחזור התא הוא סדרה של אירועים המובילים לשכפול DNA ואחריו חלוקת תכולת התא ליצירת שני תאי בת. מחזור התא מתקדם בארבעה שלבים - התא גדל בגודלו (פער 1 או G1…
באיקריוטים, שכפול הדנ"א מתרחש במהלך שלב ה-S של מחזור התא. מערכת בקרת מחזור התא, המורכבת מרשת של חלבונים רגולטוריים, שולטת בהתקדמות מחזור התא.
קינאז תלוי ציקלין בשלב S, או S-Cdks, הם קומפלקסים אנזימים המעורבים בבקרת מחזור התא במהלך שלב S. מערכת בקרה זו מבטיחה שכל נוקלאוטיד בגנום יועתק פעם אחת בלבד במהלך השכפול.
שכפול הדנ"א מתחיל במקורות השכפול, הקיימים במספר מקומות בכרומוזומים. לפני תחילת השכפול, קומפלקסים רב-חלבוניים הנקראים מתחמי זיהוי מקור נקשרים לדנ"א ומשמשים כאתרי עגינה לחלבונים אחרים.
במהלך שלב G1 המוקדם של מחזור התא, חלבוני הבקרה Cdc6 ו-Cdt1 נקשרים ל-ORCs, ומסייעים בהרכבה של קבוצת חלבונים הנקראת חלבוני MCM לקומפלקסים טבעתיים לא פעילים על גבי הדנ"א הסמוך, ובכך יוצרים קומפלקסים רב-חלבוניים גדולים הנקראים קומפלקסים קדם-שכפולים או קדם-RCs. MCMs מתפקדים כמנחת מסוקים של DNA לצורך שכפול.
בתחילת שלב S, S-Cdks מופעלים ומעוררים ירי מקור, או התחלת שכפול DNA, על ידי זרחן חלבונים יוזמים ספציפיים. חלבונים יוזמים פוספורילציה לקדם את הגיוס של מתחמי activator helicase. קומפלקסים אלה מפעילים את מנחת המסוקים של הדנ"א ומגייסים את הדנ"א פולימראז, מה שמוביל לשכפול.
S-Cdks לא רק יוזמים שכפול אלא גם מונעים שכפול מחדש מלהתרחש באותו מקור.
S-Cdks פוספורילט את חלבוני Cdc6 ו-Cdt1, מקדם את שחרורם מה-ORCs, מה שמוביל לפירוק ולפירוק של החלבונים הקדם-RCs.
לאחר שכפול הדנ"א, כאשר מנחת המסוקים מתנתק מגדיל הדנ"א, ה-S-Cdks פוספוריים את מנחת המסוקים, מה שמפעיל את יציאתם מהגרעין.
מנגנון בקרת מחזור תא זה המערב S-Cdks מונע אתחול מחדש של שכפול, ובכך מבטיח ששכפול הדנ"א יתרחש רק פעם אחת בכל מחזור תא.
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.