第4章染色体仅复制一次的保证课件.ppt
第四章：染色体复制且仅复制一次,染色体DNA的复制以两个独立的步骤发生：复制起始位点的起始远离复制起始位点的延伸,一、复制起始位点在S期激活且仅激活一次,一、复制起始位点在S期激活且仅激活一次,DNA复制是全或无的过程。一旦DNA分子复制开始，它通常进行直到完成。如果不能这样的话，未完成复制的染色体可能在有丝分裂期被拉开而断裂。一旦复制完成，同一细胞周期内不会再次发生复制。这就避免了子细胞遗传到多余的任何DNA序列。,这种一次且仅有一次的DNA复制特性是通过将起始过程分成两个时间上不同的步骤而实现的。有丝分裂末期以及G1早期：在起始位点装配前复制复合物，并做好启动的准备。有时也称为复制点许可。在S期早期：前复制复合物转型成为活化的前起始复合物，能够解开复制点，装载DNA合成装置。一旦起始位点被激活，前复制复合物发生去装配，其重新组装在下一个G1期前始终被阻止。因此，每个起始位点在每个细胞周期中使用一次，且仅仅一次。,一、复制起始位点在S期激活且仅激活一次,原因？,DNA合成起始两个步骤的时间由细胞周期调控系统控制首先，前复制复合物的装配被Cdks抑制，而被泛素蛋白连接酶APC激活。因此，装配仅仅发生在有丝分裂后半段和G1早期，在此刻Cdk活性低而APC活性高。其次，在许可的起始位点进行DNA合成的起始在S期受到S-Cdks的触发。,一、复制起始位点在S期激活且仅激活一次,二、复制点许可： pre-RC的装配,前复制复合物(prereplicative complex, pre-RC):大的蛋白复合物，包括起始识别复合物Mcm解旋酶：没有活性复合物在有丝分裂晚期和G1期在复制原点进行装配，在S期开始时在起始点被激活并启动DNA复制。,一、起始位点识别复合物（ORC）,re-RC装配的核心成员是起始位点识别复合物（ORC）。在整个细胞周期结合于复制起始位点，但只有在有丝分裂晚期和G1早期发挥功能催化pre-RC的装配。,二、复制点许可： pre-RC的装配,re-RC的装配开始于两个蛋白Cdc6和cdt1与结合的ORC的作用在ORC-Cdc6-Cdt1复合物在起始位点形成后，它招募了另一群称为Mcm复合物的蛋白。Mcm复合物是一种解旋酶，可在复制起始位点处解开DNA螺旋，然后和其余的复制装置一起中沿着DNA移动，在复制叉处解开DNA螺旋。,二、复制点许可： pre-RC的装配,Q:控制发生在那个蛋白？,三、 pre-RC的装配被局限在G1期,原因？1、受到Cdk活性的抑制：当S-Cdks在早S期被激活并触发DNA合成起始时，它们也促进了单个pre-RC成分的破坏或抑制，从而阻碍了pre-RC的立即装配。 S-和M-Cdks即使在S期完成后，依然持续阻断pre-RC装配，确保装配不能再次发生，一直到有丝分裂晚期所有Cdk活性降低,三、 pre-RC的装配被局限在G1期,Cdc6被Cdk磷酸化：磷酸化的Cdc6结合到泛素-蛋白连接酶SCFCdc4，导致了Cdc6的蛋白酶解 Mcm的细胞质定位：Cdk依赖的磷酸化启动。通过促进Mcm蛋白的核输出而非抑制其活性，Cdks在S期阻碍了新的Mcm复合物在起始位点的装配，但不影响已存在于DNA上的Mcm复合物。,三、 pre-RC的装配被局限在G1期,Pre-RC装配也受到ORC亚单位磷酸化的抑制，但抑制的确切机制尚不清楚。磷酸化也可能只是通过抑制ORC与pre-RC其他组分的结合而发挥作用，而并非抑制其与DNA的结合。,三、 pre-RC的装配被局限在G1期,2、APC在多细胞真核生物中，泛素-蛋白连接酶APC能够通过破坏被称为geminin的装配抑制子而促进pre-RC的装配。因此，APC在G1期晚期的灭活导致了pre-RC装配的抑制，而APC在有丝分裂晚期的激活又有助于促进pre-RC的装配。,动物细胞中一个重要的pre-RC装配抑制子是蛋白geminin，它结合于Cdt1并阻止其结合到ORC上。APC能将geminin泛素化降解，使其在G1期保持低水平，允许pre-RC装配。Geminin的破坏导致了Cdt1的释放，Cdt1从而能在pre-RC装配中发挥功能。当APC在G1末期失活时，geminin的积累将Cdt1再次失去功能，geminin从S期到有丝分裂晚期一直结合Cdt1。 pre-RC装配的装配只发生在G1期。,三、 pre-RC的装配被局限在G1期,四、复制起始位点的激活,G1和G1/S-Cdk复合物：S-Cdk复合物的表达和激活激活复制起始位点：周期蛋白ES-Cdk复合物：整个S期，G2期和有丝分裂早期，S-周期蛋白水平保持高水平：抑制复制起始位点：周期蛋白A,四、复制起始位点的激活,S周期蛋白Clb5和Clb6主要负责DNA复制的起始：Clb6：早期启动,四、复制起始位点的激活,五、端粒和着丝粒的异染色质结构的复制,在某些染色体区域，核小体与其他蛋白紧密包装排列成高度有序的染色质结构，称为异染色质端粒DNA被特定的蛋白包装成紧密压缩的异染色质形式，甚至可延伸至临近的染色体区域。阻断了潜在的与其他染色体末端的致死融合，阻止了染色体末端触发的DNA损伤反应，这种反应通常由染色体断裂引起的双链DNA末端来诱导。,如果将通常在常染色质表达的酵母基因放置在临近端粒的异染色质区域，它的表达会受到此处紧密的染色质结构的抑制，这叫做基因沉默（gene silencing） 沉默的异染色质和临近的常染色质之间的边界通常在多次细胞分裂被遗传下来。在一次分裂中，偶然边界移到新的位点，提示异染色质已经沿着染色体延伸或收缩。这种新边界的定位也是可以遗传的，并且在该细胞的大部分后裔中得以保持。因此异染色质结构是动态的，其边界并非由DNA序列决定，而是由表观遗传机制决定。,五、端粒和着丝粒的异染色质结构的复制,芽殖酵母中，端粒异染色质的主要成分是Rap1蛋白，它能直接结合到端粒DNA序列上，沿着端粒长轴排列。其他主要成分是沉默信息调节因子（Silent information regulator，Sir）蛋白。这些蛋白中的三个（Sir2,3和4）形成三聚体复合物，与Rap1在端粒处相互作用，也沿着染色体的临近区域排列。Sir为III型去乙酰化酶。,五、端粒和着丝粒的异染色质结构的复制,五、端粒和着丝粒的异染色质结构的复制,当临近端粒的新合成的DNA掺入到新核小体中时，旧核小体上的Sir复合物能将新核小体去乙酰化，从而为Sir蛋白产生更多的结合位点。一个Sir复合物与另一个结合的能力也在这个过程发挥作用，这可以促进Sir复合物沿着新DNA的协作多聚化,五、端粒和着丝粒的异染色质结构的复制,因为该机制是基于蛋白之间存在的可逆相互作用，这就可以解释为什么异染色质边界有时会移位到新的稳定的部位。边界处的一小部分Sir复合物可能会解离足够长的时间来允许局部组蛋白的乙酰化，因而以可遗传的方式缩短了异染色质的区域。与之相似，某些细胞中临近区域过量的去甲基化也使得Sir复合物可以大量扩散，使异染色质延长,五、端粒和着丝粒的异染色质结构的复制,存在一定的机制来限定Sir复合物在染色体上长度。特定的染色质区域，称为异染色质障碍子或边界元件，含有能结合抑制局部核小体的装配的蛋白复合物的DNA。芽殖酵母中，临近沉默染色质的高度转录区域含有组蛋白变体H2A.Z，它们能通过尚不清楚的机制来阻断Sir蛋白的局部扩散。,四、芽殖酵母中Sir蛋白在端粒处形成可遗传的聚合物,尽管仅靠Sir蛋白的特性就为局部染色质结构的表观遗传模型提供了基础，然而已经清楚的是，端粒异染色质的确定首先是靠序列特异性结合的蛋白与DNA的结合。Rap1 Rap1特异性地与端粒DNA序列结合。然后招募Sir复合物，通过蛋白的相互作用而定位到端粒处。,大部分物种，着丝粒DNA序列似乎并不是着丝粒功能的重要决定因素。如在有些人类细胞，可以形成一些并不包含传统着丝粒DNA的染色体片段，但是仍能够在有丝分裂中正确传递,五、端粒和着丝粒的异染色质结构的复制,相比较而言，其他一些人类细胞中，由于染色体非正常融合的结果，形成一条带有两个着丝粒DNA区域的染色体。这些非正常的染色体在有丝分裂中也能正常传递，显然是染色体上仅有一个着丝粒区域能够介导动粒装配,五、端粒和着丝粒的异染色质结构的复制,异染色质区域存在修饰的组蛋白H3和H4。这些修饰的组蛋白与能启动局部DNA包装成异染色质的蛋白质发生特异性地结合。 DNA复制时，含有修饰的H3和H4的核小体平均分配到两条新DNA螺旋上，新的未修饰核小体在两条链之间进行装配。,五、端粒和着丝粒的异染色质结构的复制,旧核小体上的组蛋白结合蛋白能招募可修饰新组蛋白的组蛋白修饰酶，产生更多的异染色质蛋白结合位点。所以异染色质遗传的机制主要依赖蛋白的相互作用，而并非DNA序列。,五、端粒和着丝粒的异染色质结构的复制,五、端粒和着丝粒的异染色质结构的复制,HP1在异染色质复制方面的功能与酵母端粒处Sir复合物相似。首先，HP1通过其染色质结构域特异性地结合到组蛋白尾部特定的甲基化的赖氨酸上H3K9 ，这种修饰仅仅发现于异染色质区域。其次，HP1通常与组蛋白甲基转移酶，SUV39H形成复合物，而SUV39H能将甲基基团添加到组蛋白H3的赖氨酸9上。最后，HP1可以自我相互作用：一个HP1分子可以结合另一个HP1分子。,
