第4章染色體僅復(fù)制一次的保證

染色體DNA的復(fù)制以兩個獨立的步驟發(fā)生：復(fù)制起始位點的起始遠離復(fù)制起始位點的延伸一、復(fù)制起始位點在S期激活且僅激活一次當前第1頁\共有24頁\編于星期五\20點一、復(fù)制起始位點在S期激活且僅激活一次DNA復(fù)制是全或無的過程。一旦DNA分子復(fù)制開始，它通常進行直到完成。如果不能這樣的話，未完成復(fù)制的染色體可能在有絲分裂期被拉開而斷裂。一旦復(fù)制完成，同一細胞周期內(nèi)不會再次發(fā)生復(fù)制。這就避免了子細胞遺傳到多余的任何DNA序列。當前第2頁\共有24頁\編于星期五\20點這種一次且僅有一次的DNA復(fù)制特性是通過將起始過程分成兩個時間上不同的步驟而實現(xiàn)的。有絲分裂末期以及G1早期：在起始位點裝配前復(fù)制復(fù)合物，并做好啟動的準備。有時也稱為復(fù)制點許可。在S期早期：前復(fù)制復(fù)合物轉(zhuǎn)型成為活化的前起始復(fù)合物，能夠解開復(fù)制點，裝載DNA合成裝置。一旦起始位點被激活，前復(fù)制復(fù)合物發(fā)生去裝配，其重新組裝在下一個G1期前始終被阻止。因此，每個起始位點在每個細胞周期中使用一次，且僅僅一次。一、復(fù)制起始位點在S期激活且僅激活一次原因？？？當前第3頁\共有24頁\編于星期五\20點DNA合成起始兩個步驟的時間由細胞周期調(diào)控系統(tǒng)控制首先，前復(fù)制復(fù)合物的裝配被Cdks抑制，而被泛素蛋白連接酶APC激活。因此，裝配僅僅發(fā)生在有絲分裂后半段和G1早期，在此刻Cdk活性低而APC活性高。其次，在許可的起始位點進行DNA合成的起始在S期受到S-Cdks的觸發(fā)。一、復(fù)制起始位點在S期激活且僅激活一次當前第4頁\共有24頁\編于星期五\20點二、復(fù)制點許可：pre-RC的裝配前復(fù)制復(fù)合物(prereplicativecomplex,pre-RC):大的蛋白復(fù)合物，包括起始識別復(fù)合物Mcm解旋酶：沒有活性復(fù)合物在有絲分裂晚期和G1期在復(fù)制原點進行裝配，在S期開始時在起始點被激活并啟動DNA復(fù)制。當前第5頁\共有24頁\編于星期五\20點一、起始位點識別復(fù)合物（ORC）pre-RC裝配的核心成員是起始位點識別復(fù)合物（ORC）。在整個細胞周期結(jié)合于復(fù)制起始位點，但只有在有絲分裂晚期和G1早期發(fā)揮功能催化pre-RC的裝配。二、復(fù)制點許可：pre-RC的裝配當前第6頁\共有24頁\編于星期五\20點pre-RC的裝配開始于兩個蛋白Cdc6和cdt1與結(jié)合的ORC的作用在ORC-Cdc6-Cdt1復(fù)合物在起始位點形成后，它招募了另一群稱為Mcm復(fù)合物的蛋白。Mcm復(fù)合物是一種解旋酶，可在復(fù)制起始位點處解開DNA螺旋，然后和其余的復(fù)制裝置一起中沿著DNA移動，在復(fù)制叉處解開DNA螺旋。二、復(fù)制點許可：pre-RC的裝配Q:控制發(fā)生在那個蛋白？當前第7頁\共有24頁\編于星期五\20點三、pre-RC的裝配被局限在G1期原因？？？1、受到Cdk活性的抑制：當S-Cdks在早S期被激活并觸發(fā)DNA合成起始時，它們也促進了單個pre-RC成分的破壞或抑制，從而阻礙了pre-RC的立即裝配。S-和M-Cdks即使在S期完成后，依然持續(xù)阻斷pre-RC裝配，確保裝配不能再次發(fā)生，一直到有絲分裂晚期所有Cdk活性降低當前第8頁\共有24頁\編于星期五\20點三、pre-RC的裝配被局限在G1期Cdc6被Cdk磷酸化：磷酸化的Cdc6結(jié)合到泛素-蛋白連接酶SCFCdc4，導(dǎo)致了Cdc6的蛋白酶解Mcm的細胞質(zhì)定位：Cdk依賴的磷酸化啟動。通過促進Mcm蛋白的核輸出而非抑制其活性，Cdks在S期阻礙了新的Mcm復(fù)合物在起始位點的裝配，但不影響已存在于DNA上的Mcm復(fù)合物。當前第9頁\共有24頁\編于星期五\20點三、pre-RC的裝配被局限在G1期Pre-RC裝配也受到ORC亞單位磷酸化的抑制，但抑制的確切機制尚不清楚。磷酸化也可能只是通過抑制ORC與pre-RC其他組分的結(jié)合而發(fā)揮作用，而并非抑制其與DNA的結(jié)合。當前第10頁\共有24頁\編于星期五\20點三、pre-RC的裝配被局限在G1期2、APC在多細胞真核生物中，泛素-蛋白連接酶APC能夠通過破壞被稱為geminin的裝配抑制子而促進pre-RC的裝配。因此，APC在G1期晚期的滅活導(dǎo)致了pre-RC裝配的抑制，而APC在有絲分裂晚期的激活又有助于促進pre-RC的裝配。當前第11頁\共有24頁\編于星期五\20點動物細胞中一個重要的pre-RC裝配抑制子是蛋白geminin，它結(jié)合于Cdt1并阻止其結(jié)合到ORC上。APC能將geminin泛素化降解，使其在G1期保持低水平，允許pre-RC裝配。Geminin的破壞導(dǎo)致了Cdt1的釋放，Cdt1從而能在pre-RC裝配中發(fā)揮功能。當APC在G1末期失活時，geminin的積累將Cdt1再次失去功能，geminin從S期到有絲分裂晚期一直結(jié)合Cdt1。pre-RC裝配的裝配只發(fā)生在G1期。三、pre-RC的裝配被局限在G1期當前第12頁\共有24頁\編于星期五\20點四、復(fù)制起始位點的激活G1和G1/S-Cdk復(fù)合物：S-Cdk復(fù)合物的表達和激活——激活復(fù)制起始位點：周期蛋白ES-Cdk復(fù)合物：整個S期，G2期和有絲分裂早期，S-周期蛋白水平保持高水平：抑制復(fù)制起始位點：周期蛋白A當前第13頁\共有24頁\編于星期五\20點四、復(fù)制起始位點的激活S周期蛋白Clb5和Clb6主要負責DNA復(fù)制的起始：Clb6：早期啟動

當前第14頁\共有24頁\編于星期五\20點四、復(fù)制起始位點的激活當前第15頁\共有24頁\編于星期五\20點五、端粒和著絲粒的異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)制在某些染色體區(qū)域，核小體與其他蛋白緊密包裝排列成高度有序的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，稱為異染色質(zhì)端粒DNA被特定的蛋白包裝成緊密壓縮的異染色質(zhì)形式，甚至可延伸至臨近的染色體區(qū)域。阻斷了潛在的與其他染色體末端的致死融合，阻止了染色體末端觸發(fā)的DNA損傷反應(yīng)，這種反應(yīng)通常由染色體斷裂引起的雙鏈DNA末端來誘導(dǎo)。當前第16頁\共有24頁\編于星期五\20點如果將通常在常染色質(zhì)表達的酵母基因放置在臨近端粒的異染色質(zhì)區(qū)域，它的表達會受到此處緊密的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的抑制，這叫做基因沉默（genesilencing）

沉默的異染色質(zhì)和臨近的常染色質(zhì)之間的邊界通常在多次細胞分裂被遺傳下來。在一次分裂中，偶然邊界移到新的位點，提示異染色質(zhì)已經(jīng)沿著染色體延伸或收縮。這種新邊界的定位也是可以遺傳的，并且在該細胞的大部分后裔中得以保持。因此異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)是動態(tài)的，其邊界并非由DNA序列決定，而是由表觀遺傳機制決定。五、端粒和著絲粒的異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)制當前第17頁\共有24頁\編于星期五\20點芽殖酵母中，端粒異染色質(zhì)的主要成分是Rap1蛋白，它能直接結(jié)合到端粒DNA序列上，沿著端粒長軸排列。其他主要成分是沉默信息調(diào)節(jié)因子（Silentinformationregulator，Sir）蛋白。這些蛋白中的三個（Sir2,3和4）形成三聚體復(fù)合物，與Rap1在端粒處相互作用，也沿著染色體的臨近區(qū)域排列。Sir為III型去乙酰化酶。五、端粒和著絲粒的異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)制當前第18頁\共有24頁\編于星期五\20點五、端粒和著絲粒的異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)制當臨近端粒的新合成的DNA摻入到新核小體中時，舊核小體上的Sir復(fù)合物能將新核小體去乙?；?，從而為Sir蛋白產(chǎn)生更多的結(jié)合位點。一個Sir復(fù)合物與另一個結(jié)合的能力也在這個過程發(fā)揮作用，這可以促進Sir復(fù)合物沿著新DNA的協(xié)作多聚化當前第19頁\共有24頁\編于星期五\20點五、端粒和著絲粒的異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)制因為該機制是基于蛋白之間存在的可逆相互作用，這就可以解釋為什么異染色質(zhì)邊界有時會移位到新的穩(wěn)定的部位。邊界處的一小部分Sir復(fù)合物可能會解離足夠長的時間來允許局部組蛋白的乙?；?，因而以可遺傳的方式縮短了異染色質(zhì)的區(qū)域。與之相似，某些細胞中臨近區(qū)域過量的去甲基化也使得Sir復(fù)合物可以大量擴散，使異染色質(zhì)延長當前第20頁\共有24頁\編于星期五\20點五、端粒和著絲粒的異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)制存在一定的機制來限定Sir復(fù)合物在染色體上長度。特定的染色質(zhì)區(qū)域，稱為異染色質(zhì)障礙子或邊界元件，含有能結(jié)合抑制局部核小體的裝配的蛋白復(fù)合物的DNA。芽殖酵母中，臨近沉默染色質(zhì)的高度轉(zhuǎn)錄區(qū)域含有組蛋白變體H2A.Z，它們能通過尚不清楚的機制來阻斷Sir蛋白的局部擴散。當前第21頁\共有24頁\編于星期五\20點四、芽殖酵母中Sir蛋白在端粒處

形成可遺傳的聚合物盡管僅靠Sir蛋白的特性就為局部染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的表觀遺傳模型提供了基礎(chǔ)，然而已經(jīng)清楚的是，端粒異染色質(zhì)的確定首先是靠序列特異性結(jié)合的蛋白與DNA的結(jié)合。Rap1Rap1特異性地與端粒DNA序列結(jié)合。然后招募Sir復(fù)合物，通過蛋白的相互作用而定位到端粒處。當前第22頁\共有24頁\編于星期五\20點大部分物種，著絲粒DNA序列似乎并不是著絲粒功能的重要決定因素。如在有些人類細胞，可以形成一些并不包含傳統(tǒng)著絲粒DNA的染色