Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Рисунок 1 : Схема клеточного цикла. внешнее кольцо: I = интерфаза , M = митоз ; внутреннее кольцо: M = митоз , G 1 = разрыв 1 , G 2 = разрыв 2 , S = синтез ; не в кольце: G 0 = Gap 0 / Отдых .

Время репликации относится к порядку, в котором удваиваются сегменты ДНК по длине хромосомы.

Репликация ДНК [ править ]

Рисунок 2 : Репликация происходит посредством почти синхронного срабатывания кластеров источников репликации, которые реплицируют сегменты хромосомной ДНК («домены репликации») в определенные периоды времени во время S-фазы.
Рисунок 3 : Анимированная последовательность репликации.

В эукариотических клетках (клетках, которые упаковывают свою ДНК в ядро) хромосомы состоят из очень длинных линейных двухцепочечных молекул ДНК. Во время S-фазы каждого клеточного цикла ( рис. 1 ) вся ДНК в клетке дублируется, чтобы предоставить по одной копии каждой дочерней клетке после следующего клеточного деления. Процесс дублирования ДНК называется репликацией ДНК., и это происходит сначала путем раскручивания дуплексной молекулы ДНК, начиная с множества мест, называемых источниками репликации ДНК, а затем следует процесс распаковки, который раскручивает ДНК по мере ее копирования. Однако репликация из разных источников не запускается одновременно. Скорее, существует определенный временной порядок, в котором срабатывают эти истоки. Часто несколько смежных источников открываются, чтобы дублировать сегмент хромосомы, за которым через некоторое время следует другая группа источников, открывающаяся в соседнем сегменте. Репликация не обязательно начинается каждый раз в одних и тех же исходных сайтах, но кажется, что сегменты реплицируются в одной и той же временной последовательности, независимо от того, где именно в каждом сегменте начинается репликация. На рисунке 2 показано, как это обычно происходит, в то время какНа рисунке 3 показана анимация репликации различных сегментов в одном типе клетки человека.

Профили времени репликации [ править ]

Рисунок 4 : Схематическое представление времени репликации в сегменте хромосомы 2 человека размером 70 мегабайт. Красная горизонтальная линия представляет время в S-фазе от ранней (вверху) до поздней (внизу). Каждая из серых точек данных представляет собой различное положение последовательности ДНК по длине хромосомы 2, как указано на оси x, с более положительными значениями на оси y, указывающими на более раннюю репликацию. Сглаженная линия (синяя) проведена через данные для визуализации доменов с различным временем репликации. Красные полосы в верхней части изображения показывают ДНК, которая реплицировалась в данный момент в S-фазе.

Временной порядок репликации всех сегментов в геноме, называемый программой времени репликации, теперь можно легко измерить двумя разными способами. [1]Один из способов просто измеряет количество различных последовательностей ДНК по длине хромосомы на клетку. Последовательности, которые дублируются первыми, задолго до клеточного деления, будут более многочисленны в каждой клетке, чем последовательности, которые реплицируются последними непосредственно перед клеточным делением. Другой способ - пометить вновь синтезированную ДНК химически помеченными нуклеотидами, которые включаются в цепи по мере их синтеза, а затем улавливать клетки в разное время в процессе дупликации и очищать ДНК, синтезированную в каждый из этих периодов, с помощью химической метки. В любом случае мы можем измерить количество различных последовательностей ДНК по длине хромосомы либо напрямую, используя машину, которая считывает, сколько каждой последовательности присутствует, либо косвенно, используя процесс, называемый гибридизацией микрочипов. В любом случае,временной порядок репликации по длине каждой хромосомы может быть отображен в графической форме для создания «профиля времени репликации».На рисунке 4 показан пример такого профиля для 70 000 000 пар оснований хромосомы 2 человека [2]

Время репликации и структура хромосом [ править ]

Рисунок 5 . Ядро женской клетки околоплодных вод. Вверху: FISH обнаруживает обе территории X-хромосомы . Показан одиночный оптический срез, сделанный с помощью конфокального микроскопа . Внизу: то же ядро, окрашенное DAPI и записанное с помощью камеры CCD . Тело Барра обозначено стрелкой, оно обозначает неактивный X (Xi).

В настоящее время очень мало известно ни о механизмах, управляющих временной программой, ни о ее биологическом значении. Однако это интригующий клеточный механизм, связанный со многими плохо изученными особенностями сворачивания хромосом внутри ядра клетки. У всех эукариот есть временная программа, и эта программа похожа у родственных видов. [3] [4] [5] [6] [7]Это говорит о том, что он либо важен сам по себе, либо что-то важное влияет на программу. Маловероятно, что репликация ДНК в определенном временном порядке необходима просто для основной цели дублирования молекулы ДНК. Скорее всего, это связано с каким-то другим хромосомным свойством или функцией. Время репликации коррелирует с экспрессией генов, так что генетическая информация, используемая в клетке, обычно реплицируется раньше, чем информация, которая не используется. Мы также знаем, что программа времени репликации изменяется во время развития вместе с изменениями экспрессии генов.

Уже много десятилетий известно, что время репликации коррелирует со структурой хромосом. Например, у самок млекопитающих две Х-хромосомы. Один из них генетически активен, а другой инактивирован на ранних этапах развития. В 1960 году JH Taylor [8] показал, что активная и неактивная Х-хромосомы реплицируются по другому паттерну, причем активный X реплицируется раньше, чем неактивный X, тогда как все другие пары хромосом реплицируются по тому же временному паттерну. Мэри Лайон [9] также заметила, что неактивный X приобрел конденсированную структуру в ядре, называемую телом Барра [10] ( рис. 5).) в то же время во время развития, как генетическая инактивация хромосомы.

Это не может стать большим сюрпризом, поскольку упаковка ДНК с белками и РНК в хроматин происходит сразу после синтеза ДНК. Следовательно, время репликации диктует время сборки хроматина. Менее интуитивно понятна взаимосвязь между временем репликации и трехмерным расположением хроматина в ядре. В настоящее время общепризнано, что хроматин не организован случайным образом в ядре клетки, но положение каждого домена хромосомы относительно соседних с ним доменов характерно для разных типов клеток, и после того, как эта география установлена ​​в каждой вновь образованной клетке, хромосома домены не перемещаются заметно до следующего деления клетки. [11] [12]Во всех многоклеточных организмах, где это было измерено, ранняя репликация происходит внутри ядра, а хроматин по периферии реплицируется позже. Недавно разработанные методы измерения точек соприкосновения разных частей хромосом почти идеально совпадают с точками их репликации. [3] Другими словами, области, которые реплицируются раньше или позже, упаковываются таким образом, чтобы быть пространственно сегрегированными в ядре, с промежуточной ДНК, содержащей области с пониженной исходной активностью. [7] [13]Одна возможность состоит в том, что эти различные компартменты в ядре, создаваемые и поддерживаемые без помощи мембран или физических барьеров, устанавливают пороговые значения для инициации репликации, так что более доступные области реплицируются первыми. [14]

Время репликации и болезнь [ править ]

Другой интригующий аспект времени репликации заключается в том, что временной порядок репликации нарушается при большинстве видов рака и многих заболеваний. [15] Мы еще не понимаем механизмы, лежащие в основе этой связи, но это предполагает, что дальнейшие исследования могут выявить изменения времени репликации как полезные биомаркеры для таких заболеваний. Тот факт, что теперь это можно измерить с относительной легкостью, указывает на то, что вскоре у нас будет большой объем информации о том, где и когда происходят большие изменения в укладке хромосом во время развития и при различных заболеваниях.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Гилберт DM (2010) Оценка подходов в масштабе генома к репликации эукариотической ДНК. Нат Рев Генет 11: 673-684.
  2. ^ Ryba Т, Батталия D, папа BD, Hiratani я, Гилберт ДЙ (2011) Геном-Scale анализ времени репликации: от стенда к биоинформатике. doi 10.1038 / nprot.2011.328.
  3. ^ а б Рыба Т., Хиратани И., Лу Дж., Ито М., Кулик М. и др. (2010) Эволюционно консервативные временные профили репликации предсказывают дальнодействующие взаимодействия хроматина и различают тесно связанные типы клеток. Genome Res 20: 761-770.
  4. ^ Pope BD, Hiratani I, Gilbert DM (2010) Общедоменная регуляция времени репликации ДНК во время развития млекопитающих. Хромосома Res 18: 127-136.
  5. ^ Швайгер М, Штадлер МБ, Белл О., Колер Х., Окли Э.Дж. и др. (2009) Состояние хроматина отмечает репликацию генома дрозофилы, специфичную для клеточного типа и пола. Genes Dev 23: 589-601.
  6. ^ Hiratani I, Takebayashi S, Lu J, Gilbert DM (2009) Время репликации и контроль транскрипции: за пределами причины и следствия - часть II. Curr Opin Genet Dev 19: 142-149.
  7. ^ a b Farkash-Amar S, Simon I (2010) Полногеномный анализ программы репликации у млекопитающих. Хромосома Res 18: 115-125.
  8. ^ Тейлор JH (1960) Асинхронное дублирование хромосом в культивируемых клетках китайского хомяка. J Biophys Biochem Cytol 7: 455-464.
  9. ^ Lyon MF (1961) Действие гена в X-хромосоме мыши (Mus musculus L.). Nature 190: 372-373.
  10. ^ Barr ML, Bertram EG (1949) Морфологическое различие между нейронами мужского и женского пола и поведение ядрышкового сателлита во время ускоренного синтеза нуклеопротеидов. Природа 163: 676.
  11. ^ Lanctot C, Cheutin T, Cremer M, Cavalli G, Cremer T (2007) Динамическая архитектура генома в ядерном пространстве: регуляция экспрессии генов в трех измерениях. Нат Рев Генет 8: 104-115.
  12. ^ Walter J, Schermelleh L, Cremer M, Tashiro S, Cremer T (2003) Порядок хромосом в клетках HeLa изменяется во время митоза и в начале G1, но стабильно сохраняется во время последующих межфазных стадий. J Cell Biol 160: 685-697.
  13. ^ Guan Z, Hughes CM, Kosiyatrakul S, Norio P, Sen R и др. (2009) Снижение активности начала репликации в регионах с временным переходом. J Cell Biol 187: 623-635.
  14. ^ Гилберт DM (2001) Ядерная позиция накладывает свой отпечаток на время репликации. J Cell Biol 152: F11-16.
  15. ^ Watanabe Y, Maekawa M (2010) Пространственно-временная регуляция репликации ДНК в геноме человека и ее связь с геномной нестабильностью и болезнью. Curr Med Chem 17: 222-233.

Внешние ссылки [ править ]

  • Биоинформатика генома UCSC