6.6
S-Cdk инициирует репликацию ДНК
Клеточный цикл представляет собой серию событий, приводящих к дупликации ДНК с последующим разделением клеточного содержимого с образованием двух доче…
У эукариот репликация ДНК происходит во время S-фазы клеточного цикла. Система управления клеточным циклом, состоящая из сети регуляторных белков, управляет протеканием клеточного цикла.
Циклин-зависимая киназа S-фазы, или S-Cdk, представляет собой ферментные комплексы, участвующие в контроле клеточного цикла во время S-фазы. Эта система контроля гарантирует, что каждый нуклеотид в геноме копируется только один раз во время репликации.
Репликация ДНК начинается с истоков репликации, присутствующей в нескольких местах хромосом. Перед началом репликации мультибелковые комплексы, называемые комплексами распознавания происхождения, связываются с ДНК и служат стыковочными сайтами для других белков.
Во время ранней G1-фазы клеточного цикла регуляторные белки Cdc6 и Cdt1 связываются с ORC и помогают в сборке набора белков, называемых белками MCM, в неактивные кольцевые комплексы на соседней ДНК, тем самым образуя большие мультибелковые комплексы, называемые пререпликативными комплексами или пре-RC. МКМ функционируют как геликазы ДНК для репликации.
В начале S-фазы S-Cdk активируются и инициируют исходное возбуждение, или инициацию репликации ДНК, путем фосфорилирования специфических белков-инициаторов. Фосфорилированные инициирующие белки способствуют рекрутированию геликазных активаторных комплексов. Эти комплексы активируют геликазы ДНК и рекрутируют ДНК-полимеразу, что приводит к репликации.
S-Cdk не только инициируют репликацию, но и предотвращают повторную репликацию в том же источнике.
S-Cdk фосфорилируют белки Cdc6 и Cdt1, способствуя их высвобождению из ORC, что приводит к деградации и разборке пред-RC.
После репликации ДНК, когда геликазы отделяются от цепи ДНК, S-Cdk фосфорилируют геликазы, вызывая их экспорт из ядра.
Этот механизм контроля клеточного цикла с участием S-Cdk предотвращает повторную инициацию репликации, тем самым гарантируя, что репликация ДНК происходит только один раз за клеточный цикл.
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.