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細胞周期は、DNAの複製に続き、細胞内容が分裂して2つの娘細胞を形成する一連の出来事です。細胞周期は4つの段階で進行します— 細胞はサイズが大きくなり(ギャップ1またはG1期)、DNAを複製し(合成またはS期)、分裂の準備をし(ギャップ2またはG2期)、分裂します (有糸分裂またはM相)。
複製の起…
真核生物では、DNA複製は細胞周期のS期に行われます。制御タンパク質のネットワークからなる細胞周期制御システムは、細胞周期の進行を支配しています。
S期サイクリン依存性キナーゼ(S-Cdks)は、S期の細胞周期制御に関与する酵素複合体です。この制御システムにより、ゲノム内のすべてのヌクレオチドが複製中に一度だけコピーされます。
DNAの複製は、染色体の複数の場所に存在して、複製の起点から始まります。複製が始まる前に、起源認識複合体と呼ばれる多タンパク質複合体がDNAに結合し、他のタンパク質のドッキングサイトとして機能します。
細胞周期の初期G1期では、制御タンパク質Cdc6およびCdt1がORCに結合し、MCMタンパク質と呼ばれる一連のタンパク質が隣接するDNA上の不活性環複合体に集合するのを助け、それによってpre-replicative complexesまたはpre-RCと呼ばれる大きな多タンパク質複合体を形成します。MCMは複製のためのDNAヘリカーゼとして機能します。
S期の開始時に、S-Cdksは活性化され、特定の開始タンパク質をリン酸化することにより、起源の発火またはDNA複製の開始を引き起こします。リン酸化開始剤タンパク質は、ヘリカーゼ活性化因子複合体の動員を促進します。これらの複合体は、DNAヘリカーゼを活性化し、DNAポリメラーゼを動員して複製を引き起こします。
S-Cdks はレプリケーションを開始するだけでなく、同じオリジンでの再レプリケーションの発生も防止します。
S-Cdksは、Cdc6およびCdt1タンパク質をリン酸化し、ORCからの放出を促進し、分解とプレRCの分解につながります。
DNA複製後、ヘリカーゼがDNA鎖から離脱すると、S-Cdksはヘリカーゼをリン酸化し、核からのヘリカーゼの輸送を引き起こします。
このS-Cdksが関与する細胞周期制御機構は、複製の再開を防ぎ、それによってDNA複製が細胞周期ごとに1回だけ起こることを保証します。
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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.