DNA-avrullande element

DNA-avveckling vid DUE, vilket möjliggör bildning av replikationsgaffel för att DNA-replikation ska ske.

Ett DNA-avrullande element ( DUE eller DNAUE ) är initieringsstället för öppningen av dubbelhelixstrukturen hos DNA:t vid replikationsursprunget för DNA-syntes . Den är AT-rik och denatureras lätt på grund av dess låga spiralformade stabilitet, vilket gör att den enkelsträngade regionen kan kännas igen av ursprungsigenkänningskomplex .

DUEs finns i både prokaryota och eukaryota organismer, men upptäcktes först i jäst- och bakterieursprung, av Huang Kowalski. DNA-avvecklingen möjliggör åtkomst av replikationsmaskineri till de nyligen enkla strängarna. I eukaryoter är DUE bindningsstället för DNA-avlindande elementbindande (DUE-B) proteiner som krävs för replikationsinitiering. I prokaryoter finns DUEs i form av tandemkonsensussekvenser som flankerar 5'-änden av DnaA-bindande domän. Handlingen att varva ner vid dessa AT-rika element sker även i frånvaro av ursprungsbindande proteiner på grund av negativa supercoiling- krafter, vilket gör det till en energimässigt gynnsam verkan. DUEs återfinns vanligtvis som spänner över 30-100 bp av replikationsursprung.

Fungera

Den specifika avvecklingen av DUE möjliggör initieringskomplexmontering vid replikationsstället på enkelsträngat DNA, som upptäckts av Huang Kowalski. DNA -helikaset och associerade enzymer kan nu binda till den avlindade regionen, vilket skapar en replikationsgaffelstart . Avlindningen av denna duplexsträngsregion är associerad med ett lågt krav på fri energi, på grund av spiralformad instabilitet orsakad av specifika basstaplingsinteraktioner, i kombination med motverkande supercoiling. Negativ supercoiling gör att DNA:t är stabilt vid smältning, drivet av minskning av vridspänningen. Finns i replikationsursprunget för både bakterier och jäst, samt finns i vissa däggdjur. Fanns vara mellan 30-100 bp lång.

Prokaryoter

I prokaryoter sker för det mesta DNA-replikation från ett enda replikationsursprung på en enda sträng av DNA-sekvensen. Oavsett om detta genom är linjärt eller cirkulärt har bakterierna egna maskiner som är nödvändiga för att replikering ska ske.

Bearbeta

I bakterier är proteinet DnaA replikationsinitiatorn. Den laddas på oriC i en DnaA-boxsekvens där den binder och sätter ihop filament för att öppna duplex och rekrytera DnaB-helikas med hjälp av DnaC . DnaA är mycket konserverat och har två DNA-bindande domäner. Precis uppströms om denna DnaA-box finns tre tandem 13-mer-sekvenser. Dessa tandemsekvenser, märkta L, M, R från 5' till 3' är bakteriella DUE. Två av tre av dessa AT-rika regioner (M och R) lindas av vid bindning av DnaA till DnaA-box, via nära anslutning till avlindningsduplex. Den sista 13-mer sekvensen L, längst bort från denna DnaA-låda, lindas så småningom av när DnaB-helikas omger den. Detta bildar en replikeringsbubbla för DNA-replikation för att sedan fortsätta.

Archaea använder en enklare homolog av det eukaryota ursprungsigenkänningskomplexet för att hitta replikationsursprunget, vid sekvenser som kallas ursprungsigenkänningsboxen (ORB).

Gynnsamhet

Avveckling av dessa tre DUE är ett nödvändigt steg för att DNA-replikation ska initieras. Den avlägsna dragningen från duplexsmältning vid DnaA-boxsekvensen är det som inducerar ytterligare smältning vid M- och R DUE-ställena. Det mer avlägsna L-stället lindas sedan av genom DnaB-bindning. Avlindning av dessa 13-mer-ställen är oberoende av oriC-bindande proteiner. Det är genereringen av negativ supercoiling som orsakar avvecklingen.

Hastigheterna för DNA-avveckling i de tre E.coli DUE:erna jämfördes experimentellt genom kärnresonansspektroskopi. Under fysiologiska förhållanden skilde sig öppningseffektiviteten för var och en av de AT-rika sekvenserna från varandra. Till stor del på grund av de olika avlägset omgivande sekvenserna.

Dessutom befanns smältning av AT/TA-baspar vara mycket snabbare än för GC/CG-par (15-240s ^-1 vs. ~20s ^-1 ). Detta stödjer tanken att AT-sekvenser är evolutionärt gynnade i DUE-element på grund av deras lätthet att avveckla.

Konsensussekvens

De tre 13-mersekvenserna identifierade som DUEs i E. coli, är välkonserverade vid replikationsursprunget för alla dokumenterade enteriska bakterier . En allmän konsensussekvens gjordes genom jämförelse av konserverade bakterier för att bilda en 11 bassekvens. E.coli innehåller 9 baser av 11 basens konsensussekvens i dess oriC, inom 13-mersekvenserna. Dessa sekvenser återfinns uteslutande vid det enda replikationsursprunget; inte någon annanstans i genomsekvensen.

Eukaryoter

Eukaryota replikationsmekanismer fungerar på relativt liknande sätt som prokaryoter, men är under mer finjusterad reglering. Det finns ett behov av att säkerställa att varje DNA-molekyl replikeras endast en gång och att detta sker på rätt plats vid rätt tidpunkt. Verkar som svar på extracellulära signaler som koordinerar initiering av delning, olika från vävnad till vävnad. Externa signaler utlöser replikation i S-fas via produktion av cykliner som aktiverar cyklinberoende kinaser (CDK) för att bilda komplex.

DNA-replikation i eukaryoter initieras när ursprungsigenkänningskomplex (ORC) binder till ursprunget. Detta inträffar vid G ₁ - cellfas som tjänar till att driva cellcykeln framåt till S - fas . Denna bindning möjliggör ytterligare faktorbindning för att skapa ett pre-replikativt komplex (pre-RC). Pre-RC triggades att initiera när cyklinberoende kinas (CDK) och Dbf4-beroende kinas (DDK) binder till det. Initieringskomplex möjliggör sedan rekrytering av MCM-helikasaktivator Cdc45 och efterföljande avveckling av duplex vid ursprunget.

Replikation i eukaryoter initieras vid flera ställen på sekvensen, vilket bildar flera replikationsgafflar samtidigt. Denna effektivitet krävs med de stora genom som de behöver för att replikera.

I eukaryoter kan nukleosomstrukturer komplicera replikationsinitiering. De kan blockera åtkomst av DUE-B till DUE, och på så sätt undertrycka transkriptionsinitiering. Kan hämma kursen. Den linjära naturen hos eukaryot DNA, kontra prokaryot cirkulärt DNA, är dock lättare att linda upp sin duplex när den väl har lindats av nukleosomen. Aktiviteten hos DUE kan moduleras av transkriptionsfaktorer som ABF1.

Jäst

Ett vanligt jästmodellsystem som väl representerar eukaryot replikation är Saccharomyces cerevisiae . Den har autonomt replikerande sekvenser (ARS) som transformeras och bibehålls väl i en plasmid. Vissa av dessa ARS ses fungera som replikeringsursprung. Dessa ARS är sammansatta av tre domäner A, B och C. A-domänen är där ARS-konsensussekvensen finns, myntade en ACS. B-domänen innehåller DUE. Slutligen är C-domänen nödvändig för att underlätta protein-protein-interaktioner . ARS finns fördelade över 16 kromosomer, upprepade var 30-40 kb.

Mellan arter är dessa ARS-sekvenser variabla, men deras A-, B- och C-domäner är väl bevarade. Eventuella ändringar i DUE (domän B) orsakar lägre total funktion av ARS som helhet vid replikeringsinitiering. Detta upptäcktes genom studier med iminoutbyte och NMR-spektroskopi .

Däggdjur

DUEs som hittills hittats i vissa däggdjursreplikationsursprung. I allmänhet har väldigt lite replikationsursprung hos däggdjur analyserats väl, så svårt att avgöra hur utbredda DUEs är, i deras definierade replikationsursprung.

Mänskliga celler har fortfarande mycket lite detaljer om sitt ursprung. Det är känt att replikation initieras i stora initieringszonområden, associerade med kända proteiner som c-myc- och β-globingenen. De med DUEs trodde agera på nästan samma sätt som jästceller.

DUE i ursprung för plasmider i däggdjursceller, SV40 , visade sig vara associerad med en T-ag hexamer, som introducerar motsatt supercoiling för att öka fördelaktigheten för strängavlindning.

Däggdjur med DUE har visat bevis på strukturbildande förmågor som ger enkelsträngad stabilitet av olindat DNA. Dessa inkluderar cruciforms , intramolekylära triplexer och mer.

DUE-bindande proteiner

DNA-avlindande elementproteiner (DUE-B) finns i eukaryoter.

De verkar för att initiera strängseparation genom att binda till DUE. DUE-B-sekvenshomologer som finns bland en mängd olika djurarter - fiskar, amfibier och gnagare. DUE-B har oordnade C-terminala domäner som binder till DUE genom igenkänning av denna C-terminal. Ingen annan sekvensspecificitet involverad i denna interaktion. Bekräftas genom att inducera mutationer längs DUE-B-sekvensens längd, men i alla fall förblir dimeriseringsförmågan intakt. När DNA binds, blir C-terminalen ordnad, vilket ger en större stabilitet mot proteasnedbrytning . DUE-B är totalt 209 rester, varav 58 är oordnade tills de binds till DUE. DUE-B:s hydrolyserar ATP för att fungera. Har också liknande sekvens som aminoacyl-tRNA-syntetas och klassificerades tidigare som en sådan. DUE-Bs bildar homodimerer som skapar en utökad sekundär struktur för beta-ark som sträcker sig över den. Två av dessa homodimerer går samman för att bilda den övergripande asymmetriska DUE-B-strukturen.

Vid bildning av pre-RC lokaliseras Cdc45 till DUE för aktivitet via interaktion med en DUE-B. Tillåter duplexavveckling och replikeringsinitiering.

Hos människor är DUE-B 60 aminosyror längre än dess jästortologa motsvarigheter . Båda lokaliserade huvudsakligen i kärnan.

DUE-B-nivåer är i konsekvent kvantitet, oavsett cellcykel. I S-fasen kan dock DUE-Bs tillfälligt fosforyleras för att förhindra för tidig replikation. DUE-B-aktivitet är kovalent kontrollerad. Sammansättningen av dessa DUE-B vid DUE-regionerna är beroende av lokal kinas- och fosfatasaktivitet. DUE-B kan också nedregleras av siRNA och har varit inblandade i utökade G1 -stadier.

Mutationsimplikationer

Mutationer som försämrar avvecklingen vid DUE-ställen hindrar direkt DNA-replikationsaktivitet. Detta kan vara ett resultat av deletioner/förändringar i DUE-regionen, tillägg av reaktiva reagens eller tillägg av specifikt nukleas . DUE-ställen är dock relativt okänsliga för punktmutationer , och bibehåller sin aktivitet när de ändrar baser i proteinbindningsställen. I många fall kan DUE-aktivitet delvis återvinnas genom att öka temperaturen. Kan även återvinnas genom att lägga till DUE-webbplatsen igen.

Om det finns en tillräckligt allvarlig mutation till DUE som gör att den inte längre binds till DUE-B, kan Cdc45 inte associera och kommer inte att binda till c-myc transkriptionsfaktor. Detta kan återvinnas i sjukdomsrelaterad (ATTCT)(n) längdexpansion av DUE-sekvensen. Om DUE-aktiviteten återfått i överskott, kan det orsaka oreglerad ursprungsbildning och cellcykelprogression.

I eukaryoter, när DUE-B:er slås ut, kommer cellen inte att gå in i S-fasen av sin cykel, där DNA-replikation sker. Ökad apoptos kommer att resultera. Men aktivitet kan räddas genom att lägga till DUE-B, även från en annan art. Detta beror på att DUE-B är homologa mellan arter. Till exempel, om DUE-B i Xenopus -ägg är muterat, kommer ingen DNA-replikation att ske, men kan räddas genom att lägga till HeLa DUE-B:s för att återfå full funktionalitet.

^ ^a ^b Kowalski D, Eddy MJ (december 1989). "DNA-avvecklingselementet: en ny, cis-verkande komponent som underlättar öppnandet av Escherichia coli-replikationsursprunget" . EMBO Journal . 8 (13): 4335–44. doi : 10.1002/j.1460-2075.1989.tb08620.x . PMC 401646 . PMID 2556269 .
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ Coman D, Russu IM (maj 2005). "Basparöppning i tre DNA-avlindande element" . Journal of Biological Chemistry . 280 (21): 20216–21. doi : 10.1074/jbc.M502773200 . PMID 15784615 .
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j ^k ^l ^m ⁿ ^o ^p ^q Kemp M, Bae B, Yu JP, Ghosh M, Leffak M, Nair SK (april 2007). "Struktur och funktion av det c-myc DNA-avlindande elementbindande proteinet DUE-B" . Journal of Biological Chemistry . 282 (14): 10441–8. doi : 10.1074/jbc.M609632200 . PMID 17264083 .
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j ^k ^l ^m DePamphilis ML (1993). "Eukaryot DNA-replikation: anatomi av ett ursprung". Årlig översyn av biokemi . 62 (1): 29–63. doi : 10.1146/annurev.bi.62.070193.000333 . PMID 8352592 .
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ Potaman VN, Pytlos MJ, Hashem VI, Bissler JJ, Leffak M, Sinden RR (2006). Wells RD, Ashizawa T (red.). Genetisk instabilitet och neurologiska sjukdomar (andra upplagan). Burlington: Academic Press. s. 447–460. doi : 10.1016/B978-012369462-1/50031-4 . ISBN 9780123694621 .
^ Natale DA, Schubert AE, Kowalski D (april 1992). "DNA-helixstabilitet står för mutationsdefekter i ett jästreplikationsursprung" . Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America . 89 (7): 2654–8. Bibcode : 1992PNAS...89.2654N . doi : 10.1073/pnas.89.7.2654 . PMC 48720 . PMID 1557369 .
^ ^a ^b Zyskind JW, Smith DW (2001). Brenner S, Miller JH (red.). Encyclopedia of Genetics . New York: Academic Press. s. 1381–1387. doi : 10.1006/rwgn.2001.0938 . ISBN 9780122270802 .
^ Chodavarapu S, Kaguni JM (2016-01-01). "Replikationsinitiering i bakterier". I Kaguni LS, Oliveira MT (red.). Enzymerna . DNA-replikation över Taxa. Vol. 39. Akademisk press. s. 1–30. doi : 10.1016/bs.enz.2016.03.001 . ISBN 9780128047354 . PMC 5551690 . PMID 27241926 .
^ Bell SD (2012). "Archaeal orc1/cdc6-proteiner". Den eukaryota replisome: En guide till proteinstruktur och funktion . Subcellulär biokemi. Vol. 62. s. 59–69. doi : 10.1007/978-94-007-4572-8_4 . ISBN 978-94-007-4571-1 . PMID 22918580 .
^ ^a ^b ^c ^d Bhagavan, NV; Ha, Chung-Eun (2015). Essentials of Medical Biochemistry (andra upplagan). San Diego: Academic Press. s. 401–417. ISBN 9780124166875 .
^ ^a ^b ^c ^d Chowdhury A, Liu G, Kemp M, Chen X, Katrangi N, Myers S, Ghosh M, Yao J, Gao Y, Bubulya P, Leffak M (mars 2010). "Det DNA-avlindande elementbindande proteinet DUE-B interagerar med Cdc45 i preinitieringskomplexbildning" . Molekylär och cellulär biologi . 30 (6): 1495–507. doi : 10.1128/MCB.00710-09 . PMC 2832489 . PMID 20065034 .
^ ^a ^b ^c ^d Dhar MK, Sehgal S, Kaul S (maj 2012). "Struktur, replikeringseffektivitet och bräcklighet av jäst ARS-element". Forskning i mikrobiologi . 163 (4): 243–53. doi : 10.1016/j.resmic.2012.03.003 . PMID 22504206 .
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h Casper JM, Kemp MG, Ghosh M, Randall GM, Vaillant A, Leffak M (april 2005). "Det c-myc DNA-avlindande elementbindande proteinet modulerar sammansättningen av DNA-replikationskomplex in vitro" . Journal of Biological Chemistry . 280 (13): 13071–83. doi : 10.1074/jbc.M404754200 . PMID 15653697 .
^ Umek RM, Kowalski D (november 1990). "DNA-avlindningselementet i ett jästreplikationsursprung fungerar oberoende av lätt avlindade sekvenser som finns någon annanstans på en plasmid" . Nukleinsyraforskning . 18 (22): 6601–5. doi : 10.1093/nar/18.22.6601 . PMC 332616 . PMID 2174542 .

[:02-1] Kowalski D, Eddy MJ (december 1989). "DNA-avvecklingselementet: en ny, cis-verkande komponent som underlättar öppnandet av Escherichia coli-replikationsursprunget" . EMBO Journal . 8 (13): 4335–44. doi : 10.1002/j.1460-2075.1989.tb08620.x . PMC 401646 . PMID 2556269 .

[:102-2] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ Coman D, Russu IM (maj 2005). "Basparöppning i tre DNA-avlindande element" . Journal of Biological Chemistry . 280 (21): 20216–21. doi : 10.1074/jbc.M502773200 . PMID 15784615 .

[:12-3] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j ^k ^l ^m ⁿ ^o ^p ^q Kemp M, Bae B, Yu JP, Ghosh M, Leffak M, Nair SK (april 2007). "Struktur och funktion av det c-myc DNA-avlindande elementbindande proteinet DUE-B" . Journal of Biological Chemistry . 282 (14): 10441–8. doi : 10.1074/jbc.M609632200 . PMID 17264083 .

[:22-4] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j ^k ^l ^m DePamphilis ML (1993). "Eukaryot DNA-replikation: anatomi av ett ursprung". Årlig översyn av biokemi . 62 (1): 29–63. doi : 10.1146/annurev.bi.62.070193.000333 . PMID 8352592 .

[:72-5] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ Potaman VN, Pytlos MJ, Hashem VI, Bissler JJ, Leffak M, Sinden RR (2006). Wells RD, Ashizawa T (red.). Genetisk instabilitet och neurologiska sjukdomar (andra upplagan). Burlington: Academic Press. s. 447–460. doi : 10.1016/B978-012369462-1/50031-4 . ISBN 9780123694621 .

[:6-6] Natale DA, Schubert AE, Kowalski D (april 1992). "DNA-helixstabilitet står för mutationsdefekter i ett jästreplikationsursprung" . Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America . 89 (7): 2654–8. Bibcode : 1992PNAS...89.2654N . doi : 10.1073/pnas.89.7.2654 . PMC 48720 . PMID 1557369 .

[:9-7] Zyskind JW, Smith DW (2001). Brenner S, Miller JH (red.). Encyclopedia of Genetics . New York: Academic Press. s. 1381–1387. doi : 10.1006/rwgn.2001.0938 . ISBN 9780122270802 .

[8] Chodavarapu S, Kaguni JM (2016-01-01). "Replikationsinitiering i bakterier". I Kaguni LS, Oliveira MT (red.). Enzymerna . DNA-replikation över Taxa. Vol. 39. Akademisk press. s. 1–30. doi : 10.1016/bs.enz.2016.03.001 . ISBN 9780128047354 . PMC 5551690 . PMID 27241926 .

[#22918580-9] Bell SD (2012). "Archaeal orc1/cdc6-proteiner". Den eukaryota replisome: En guide till proteinstruktur och funktion . Subcellulär biokemi. Vol. 62. s. 59–69. doi : 10.1007/978-94-007-4572-8_4 . ISBN 978-94-007-4571-1 . PMID 22918580 .

[:8-10] Bhagavan, NV; Ha, Chung-Eun (2015). Essentials of Medical Biochemistry (andra upplagan). San Diego: Academic Press. s. 401–417. ISBN 9780124166875 .

[:1-11] Chowdhury A, Liu G, Kemp M, Chen X, Katrangi N, Myers S, Ghosh M, Yao J, Gao Y, Bubulya P, Leffak M (mars 2010). "Det DNA-avlindande elementbindande proteinet DUE-B interagerar med Cdc45 i preinitieringskomplexbildning" . Molekylär och cellulär biologi . 30 (6): 1495–507. doi : 10.1128/MCB.00710-09 . PMC 2832489 . PMID 20065034 .

[:0-12] Dhar MK, Sehgal S, Kaul S (maj 2012). "Struktur, replikeringseffektivitet och bräcklighet av jäst ARS-element". Forskning i mikrobiologi . 163 (4): 243–53. doi : 10.1016/j.resmic.2012.03.003 . PMID 22504206 .

[:5-13] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h Casper JM, Kemp MG, Ghosh M, Randall GM, Vaillant A, Leffak M (april 2005). "Det c-myc DNA-avlindande elementbindande proteinet modulerar sammansättningen av DNA-replikationskomplex in vitro" . Journal of Biological Chemistry . 280 (13): 13071–83. doi : 10.1074/jbc.M404754200 . PMID 15653697 .

[:4-14] Umek RM, Kowalski D (november 1990). "DNA-avlindningselementet i ett jästreplikationsursprung fungerar oberoende av lätt avlindade sekvenser som finns någon annanstans på en plasmid" . Nukleinsyraforskning . 18 (22): 6601–5. doi : 10.1093/nar/18.22.6601 . PMC 332616 . PMID 2174542 .