Форматирование генома при делении и репликации

Для эффективного выполнения функции наследования в делящихся клетках молекулы ДНК должны своевременно и с высокой точностью переходить в дочерние клетки. Мы уже обсуждали ранее точки контроля клеточного цикла. Однако, как и в случае с транскрипционной регуляцией, ДНК молекулы также должны быть форматированы определенными сигналами для осуществления полноценной репликации, локализации в каждой отдельной фазе клеточного цикла и точной передачи в дочерние клетки. Существует несколько отдельных типов сигналов форматирования.

---

• Сайты начала ДНК репликации — это определенные участки ДНК со сложной структурой последовательностей, которые распознаются специальными молекулами, гарантирующими лишь одну инициацию на клеточный цикл. Примером таких сайтов в прокариотах может служить участок ori (origin of replication, или точка начала репликации). В эукариотах такие участки называются autonomous replication sequences (ars), или автономно реплицирующаяся последовательность. Они взаимодействуют с комплексом точки репликации (origin of replication complex) — мультибелковый аппарат клетки, который связан с системой клеточного цикла и который обеспечивает лишь одну инициацию ars последовательностей во время S-фазы клеточного цикла [1].
• Сайты завершения ДНК репликации. Существует несколько форм сигналов завершения репликации у прокариот. У прокариот с кольцевой молекулой ДНК существует специальный терминальный регион, который способствует разъединению двух молекул ДНК, которые соединены воедино в результате репликации. У других прокариот с линейной молекулой ДНК имеется соединение-шпилька, которое связывает две цепи ДНК (также имеется у некоторых вирусов). После репликации шпилька способствует "разрешению" дочерних молекул посредством специальной рекомбинации [2].
  В эукариотах молекула ДНК хромосом линейная с открытыми концами, что порождает две проблемы для поддержания и репликации:
  
  i. Концы не должны срастись, как это бывает при некоторых формах двуцепочечных разрывов ДНК и их репарации.
  
  ii. Репликационный механизм может скопировать лишь одну ДНК цепочку полностью, оставляя другую незавершенной.
  
  Эти две проблемы решаются сооружением специальной теломерной (буквально означает "конечное тело") структуры на каждом конце хромосомной ДНК. Теломера содержит целый набор сигналов, которые способствуют добавлению дополнительной последовательности ДНК к концу после окончания репликации (обычно с помощью фермента теломеразы, но есть и другие способы). Эти сигналы также предотвращают сращивание свободных концов хромосомной ДНК аппаратом репарации повреждений [3].
• Сайты гарантирующие передачу во время клеточного деления. В прокариотах эти сайты известны под именем par сайтов (от partition). Эти сайты обеспечивают движение дочерних ДНК к полюсам клеток с помощью моторных белков, и две копии ДНК оказываются в разных клетках после деления материнской клетки надвое посередине. В эукариотах эту функцию выполняют центромеры (буквально "центральное тело") или cen последовательности [4].
• Сайты управления внутриядерной локализацией. Теперь мы узнаём о том, что центромеры, теломеры и другие ДНК сигналы (например, изоляторные последовательности) играют роль в локализации эукариотических хромосом внутри клеточного ядра в различные стадии клеточного цикла. Ядро — чрезвычайно организованная органелла с наличием множества отсеков и делений. Например, репликация и транскрипция происходят в отдельных отсеках, называемых репликационными и транскрипционными фабриками. РНК обработка и восстановление ДНК повреждений происходят в других отсеках ядра (например, "центры починки") [5].

Мы лишь в начале пути по выяснению важности внутриклеточной локализации в функционировании генома. Однако, несколько положений не поддаются сомнению:

• Классическая цитогенетика задокументировала свидетельства того, насколько важны центромеры и теломеры в локализации хромосом в отношении к веретену деления и ядерной оболочке во время митоза и мейоза [6].
• С помощью технологии "хромосомной окраски", которая позволяет визуализировать отдельные хромосомы, хромосомные участки или отельные генетические локусы, было установлено, что позиция хромосом в интерфазном ядре (то есть в течение G1-S-G2 фаз) не фиксирована, но и не случайна [7].
• Позиция хромосом в интерфазе клеточного цикла зависит от ткани и типа клеток, а отдельные локусы изменяют свое местоположение в зависимости от различных стимулов. В определенных случаях, движение и выстраивание отдельных локусов хромосом соотносится с известными молекулярными событиями, такими как скоординированная транскрипция [8].

 

Словарь

Здесь мы повторяем некоторые термины, которые мы поясняли ранее, но которые необходимы для чтения данного материала в потоке.

Репликация --- процесс удвоения хромосомной ДНК.

Клеточный цикл --- процесс жизни клетки от рождения из материнской клетки и до разделения на две дочерние. Клеточный цикл условно разделен на четыре фазы: G1 (фаза роста), S (фаза репликации, синтеза), G2 (вторая фаза роста), M (деление, митоз). Обычный период жизни между делениями, то есть G1-S-G2, еще называется интерфазой.

Теломера --- концевые участки хромосом.

Центромера --- специальный участок хромосом, участвующий в соединении дочерних хромосом (хроматид) и играющий важнейшую роль в распределении хромосом по дочерним клеткам при клеточном делении.

Изоляторы --- ДНК последовательности, разграничивающие участки с различными типами хроматина.

Прокариоты --- низшие организмы без оформленного ядра клетки.

Эукариоты -- высшие организмы с наличием ядра в клетке.

 

Литература

[1] Инициация репликации, ori и ars сайты:

• Thomas C.M Paradigms of plasmid organization. Mol Microbiol 37, 485-91 (2000).
• Berbenetz N.M., Nislow C. and Brown G.W. Diversity of Eukaryotic DNA Replication Origins Revealed by Genome-Wide Analysis of Chromatin Structure. PLoS Genet 6, e1001092 (2010).
• Muck J. and Zink D. Nuclear organization and dynamics of DNA replication in eukaryotes. Front Biosci 14, 5361-71 (2009).

[2] Окончание репликации в прокариотах:

• Toro E. and Shapiro L. Bacterial chromosome organization and segregation. Cold Spring Harb Perspect Biol 2, a000349 (2010).
• Hazan R. and Ben-Yehuda S. Resolving chromosome segregation in bacteria. J Mol Microbial Biotechnol 11, 126-39 (2006).
• Kobryn K. and Chaconas G. The circle is broken: telomere resolution in linear replicons. Curr Opin Microbiol 4, 558-64 (2001).

[3] Окончание репликации в эукариотах:

• Greider C.W. and Blackburn E.H. Telomeres, Telomerase and Cancer. Sci Am 274, 92-97 (1996).
• Pardue M.L. and DeBaryshe P.G. Drosophila telomeres: two transposable elements with important roles in chromosomes. Genetica 107, 189-96 (1999).
• Moser B.A. and Nakamura T.M. Protection and replication of telomeres in fission yeast. Biochem Cell Biol 87, 747-58 (2009).

[4] Par сайты, центромеры:

• Lowe J. and Amos L.A. Evolution of cytomotive filaments: the cytoskeleton from prokaryotes to eukaryotes. Int J Biochem Cell Biol 41, 323-9 (2009).
• Thanbichler M. Synchronization of chromosome dynamics and cell division in bacteria. Cold Spring Harb Perspect Biol 2, a000331 (2010).
• McIntosh J.R. and McDonald K.L. The Mitotic Spindle. Sci Am 261, 48-56 (1989).
• Glover D.M., Gonzalez C. and Raff J.W. The Centrosome. Sci Am 268, 62-68 (1993).

[5] Организация ядра эукариот в отделы и отсеки для выполнения различных функций:

• Wenner M. Nuclear Architecture. Sci Am 301, 20-22 (2009).
• Zhao R., Bodnar M.S. and Spector D.L. Nuclear neighborhoods and gene expression. Curr Opin Genet Dev 19, 172-9 (2009).
• Pombo A. et al. Specialized transcription factories within mammalian nuclei. Crit Rev Eukaryot Gene Expr 10, 21-9 (2000).
• Lisby M. and Rothstein R. Localization of checkpoint and repair proteins in eukaryotes. Biochimie 87, 579-89 (2005).

[6] Локализация хромосом во время клеточного деления:

• Hediger F., Neumann F.R., Van Houwe G., Dubrana K., and Gasser S.M. Live imaging of telomeres: yKu and Sir proteins define redundant telomere-anchoring pathways in yeast. Curr Biol 12, 2076-89 (2002).
• Sakuno T. and Watanabe Y. Studies of meiosis disclose distinct roles of cohesion in the core centromere and pericentromeric regions. Chromosome Res 17, 239-49 (2009).

[7] Позиционирование хромосом в ядре:

• Verschure P.J. Positioning the genome withing the nucleus. Biol Cell 96, 569-77 (2004).
• Sengupta K. et al. Position of human chromosomes is conserved in mouse nuclei indicating a species-independent mechanism for maintaining genome organization. Chromosoma 117, 499-509 (2008).

[8] Изменение местопложения хромосом и специфика расположения по тканям и клеткам:

• Parada L.A., McQueen P.G. and Misteli T. Tissue-specific spatial organization of genomes. Genome Biol 5, R44 (2004).
• Rosa A. and Everaers R. Structure and dynamics of interphase chromosomes. PLoS Comput Biol 4, e1000153 (2008).