6.6
S-Cdk inicjuje replikację DNA
Cykl komórkowy to seria zdarzeń prowadzących do duplikacji DNA, po której następuje podział zawartości komórki w celu utworzenia dwóch komórek potomny…
U eukariontów replikacja DNA zachodzi podczas fazy S cyklu komórkowego. System kontroli cyklu komórkowego, składający się z sieci białek regulatorowych, reguluje postęp cyklu komórkowego.
Kinaza zależna od cykliny w fazie S lub S-Cdk to kompleksy enzymatyczne biorące udział w kontroli cyklu komórkowego podczas fazy S. Ten system kontroli zapewnia, że każdy nukleotyd w genomie jest kopiowany tylko raz podczas replikacji.
Replikacja DNA rozpoczyna się na początku replikacji, obecnej w wielu miejscach chromosomów. Przed rozpoczęciem replikacji kompleksy wielobiałkowe zwane kompleksami rozpoznawania pochodzenia wiążą się z DNA i służą jako miejsca dokowania dla innych białek.
We wczesnej fazie G1 cyklu komórkowego białka regulatorowe Cdc6 i Cdt1 wiążą się z ORC i pomagają w składaniu zestawu białek zwanych białkami MCM w nieaktywne kompleksy pierścieniowe na sąsiednim DNA, tworząc w ten sposób duże kompleksy wielobiałkowe zwane kompleksami prereplikacyjnymi lub pre-RC. MCM działają jako helikazy DNA do replikacji.
Na początku fazy S aktywowane są S-Cdk i wyzwalają wystrzeliwanie początkowe lub inicjację replikacji DNA poprzez fosforylację określonych białek inicjujących. Fosforylowane białka inicjujące sprzyjają rekrutacji kompleksów aktywatorów helikazy. Kompleksy te aktywują helikazy DNA i rekrutują polimerazę DNA, prowadząc do replikacji.
Pakiety S-Cdk nie tylko inicjują replikację, ale także zapobiegają jej ponownemu wystąpieniu w tym samym źródle.
S-Cdks fosforylują białka Cdc6 i Cdt1, sprzyjając ich uwalnianiu z ORC, prowadząc do degradacji i rozkładu pre-RC.
Po replikacji DNA, gdy helikazy odłączają się od nici DNA, S-Cdks fosforylują helikazy, wywołując ich eksport z jądra.
Ten mechanizm kontroli cyklu komórkowego obejmujący S-Cdks zapobiega ponownej inicjacji replikacji, zapewniając w ten sposób, że replikacja DNA zachodzi tylko raz na cykl komórkowy.
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.