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Mantenimiento de minicromosomas

El complejo proteico de mantenimiento de minicromosomas ( MCM ) es una ADN helicasa esencial para la replicación del ADN genómico. La MCM eucariota consta de seis productos genéticos, Mcm2–7, que forman un heterohexámero. [1] [2] Como proteína crítica para la división celular, MCM también es el objetivo de varias vías de puntos de control, como los puntos de control de entrada y detención de la fase S. Tanto la carga como la activación de la helicasa MCM están estrictamente reguladas y están acopladas a los ciclos de crecimiento celular. La desregulación de la función de MCM se ha relacionado con la inestabilidad genómica y una variedad de carcinomas. [3] [4]

Historia y estructura

Homología compartida por miembros de la familia de proteínas Mcm2-7. [5] La homología entre los seis miembros de la familia se indica en negro. La homología de cada miembro entre especies se indica en color.

Las proteínas de mantenimiento de minicromosomas recibieron el nombre de una prueba genética de levadura para detectar mutantes defectuosos en la regulación del inicio de la replicación del ADN. [6] El fundamento detrás de esta pantalla fue que si los orígenes de replicación estaban regulados de una manera análoga a los promotores de la transcripción, donde los reguladores transcripcionales mostraban especificidad de promotor, entonces los reguladores de replicación también deberían mostrar especificidad de origen. Dado que los cromosomas eucariotas contienen múltiples orígenes de replicación y los plásmidos contienen sólo uno, un ligero defecto en estos reguladores tendría un efecto espectacular en la replicación de los plásmidos, pero poco efecto en los cromosomas. En esta pantalla, se identificaron mutantes condicionados a la pérdida de plásmido. En una selección secundaria, estos mutantes condicionales se seleccionaron por defectos en el mantenimiento del plásmido frente a una colección de plásmidos, cada uno de los cuales llevaba una secuencia de origen diferente. Se identificaron dos clases de mutantes mcm : aquellos que afectaban la estabilidad de todos los minicromosomas y otros que afectaban la estabilidad de sólo un subconjunto de los minicromosomas. Los primeros eran mutantes defectuosos en la segregación cromosómica como mcm16, mcm20 y mcm21. Entre la última clase de mutantes de origen específico se encontraban mcm1, mcm2, mcm3, mcm5 y mcm10. Más tarde, otros identificaron Mcm4, Mcm6 y Mcm7 en levaduras y otros eucariotas basándose en la homología con Mcm2p, Mcm3p y Mcm5p, ampliando la familia MCM a seis, conocida posteriormente como familia Mcm2-7. [5] En las arqueas, el anillo heterohexámero se reemplaza por un homohexámero formado por una proteína mcm de un solo tipo , lo que apunta a una historia de duplicación y diversificación de genes. [7]

Mcm1 [8] [9] y Mcm10 [10] [11] también participan en la replicación del ADN, directa o indirectamente, pero no tienen homología de secuencia con la familia Mcm2-7.

Función en el inicio y elongación de la replicación del ADN.

MCM2-7 es necesario tanto para el inicio como para el alargamiento de la replicación del ADN; su regulación en cada etapa es una característica central de la replicación del ADN eucariota. [3] Durante la fase G1, los dos anillos Mcm2-7 de cabeza a cabeza sirven como andamio para el ensamblaje de los complejos de iniciación de replicación bidireccional en el origen de replicación. Durante la fase S, el complejo Mcm2-7 forma el núcleo catalítico de la helicasa Cdc45-MCM-GINS, el motor de desenrollado del ADN del replisoma.

G1/ensamblaje complejo pre-replicativo

La selección del sitio para los orígenes de replicación se lleva a cabo mediante el Complejo de Reconocimiento de Origen (ORC), un complejo de seis subunidades (Orc1-6). [12] [13] Durante la fase G1 del ciclo celular, ORC recluta Cdc6 para formar una plataforma de lanzamiento para la carga de dos hexámeros Mcm2-7 cabeza a cabeza, también conocido como complejo previo a la replicación (pre -RC). [14] Existe evidencia genética y bioquímica de que el reclutamiento del doble hexámero puede involucrar uno [15] o dos [16] ORC. El hexámero Mcm2-7 soluble forma una estructura flexible de anillos abiertos hacia la izquierda estabilizada por Cdt1 antes de su carga en la cromatina, [2] [17] uno a la vez. [18] La estructura del intermedio ORC-Cdc6-Cdt1-MCM (OCCM) formado después de la carga del primer heptámero Cdt1-Mcm2-7 indica que el dominio de hélice alada en las extensiones C-terminales (CTE) de Mcm2- 7 se ancla firmemente a las superficies creadas por la estructura del anillo ORC-Cdc6 alrededor del ADN de origen. [19] Se cree que la fusión de los dos hexámeros Mcm2-7 cara a cara se ve facilitada por la eliminación de Cdt1, lo que deja los NTD de los dos hexámeros MCM flexibles para las interacciones entre anillos. [20] [1] La carga de MCM2-7 en el ADN es un proceso activo que requiere hidrólisis de ATP tanto por Orc1-6 como por Cdc6. [21] Este proceso se denomina "Licencia de replicación", ya que es un requisito previo para el inicio de la replicación del ADN en cada ciclo de división celular. [22] [23]

G1 tardío/S temprano - iniciación

En la fase G1 tardía/S temprana, el pre-RC se activa para el desenrollado del ADN mediante las quinasas dependientes de ciclina (CDK) y DDK. Esto facilita la carga de factores de replicación adicionales (p. ej., Cdc45 , MCM10 , GINS y ADN polimerasas ) y el desenrollado del ADN en el origen. [3] Una vez que se completa la formación pre-RC, Orc1-6 y Cdc6 ya no son necesarios para la retención de MCM2-7 en el origen, y son prescindibles para la replicación posterior del ADN.

Fase S/alargamiento

Al entrar en la fase S, la actividad de las CDK y la quinasa dependiente de Dbf4 (DDK) Cdc7 promueve el ensamblaje de horquillas de replicación , probablemente en parte activando MCM2-7 para desenrollar el ADN. Después de la carga de la ADN polimerasa, comienza la replicación bidireccional del ADN.

Durante la fase S, Cdc6 y Cdt1 se degradan o inactivan para bloquear la formación adicional de pre-RC y se produce la replicación bidireccional del ADN. Cuando la bifurcación de replicación encuentra lesiones en el ADN, la respuesta del punto de control de la fase S ralentiza o detiene la progresión de la bifurcación y estabiliza la asociación de MCM2-7 con la bifurcación de replicación durante la reparación del ADN. [24]

Papel en las licencias de replicación

El sistema de licencias de replicación actúa para garantizar que ninguna sección del genoma se replique más de una vez en un solo ciclo celular. [25]

La inactivación de cualquiera de al menos cinco de las seis subunidades de MCM durante la fase S bloquea rápidamente el alargamiento en curso. Como mecanismo crítico para garantizar una sola ronda de replicación del ADN, la carga de complejos MCM2-7 adicionales en pre-RC se inactiva por medios redundantes después del paso a la fase S.  [26]

La actividad de MCM2-7 también se puede regular durante el alargamiento. La pérdida de la integridad de la horquilla de replicación, un evento precipitado por daño en el ADN, secuencia inusual de ADN o precursores de desoxirribonucleótidos insuficientes, puede conducir a la formación de roturas de doble cadena de ADN y reordenamientos cromosómicos. Normalmente, estos problemas de replicación desencadenan un punto de control de la fase S que minimiza el daño genómico al bloquear un mayor alargamiento y estabilizar físicamente las asociaciones proteína-ADN en la bifurcación de replicación hasta que se solucione el problema. Esta estabilización de la bifurcación de replicación requiere la interacción física de MCM2-7 con Mrc1, Tof1 y Csm3 (complejo M/T/C). [27] En ausencia de estas proteínas, el desenrollamiento del ADNds y el movimiento replicativo impulsado por MCM2-7 continúan, pero la síntesis de ADN se detiene. Al menos parte de esta parada se debe a la disociación de la polimerasa ε de la horquilla de replicación. [27]

Estructura bioquímica

Cada subunidad de la estructura MCM contiene dos grandes dominios N y C-terminales. El dominio N-terminal consta de tres pequeños subdominios y parece usarse principalmente para la organización estructural. [28] [1] El dominio N puede coordinarse con el dominio helicasa AAA + C-terminal de una subunidad vecina a través de un bucle largo y conservado. [29] [1] Se ha demostrado que este bucle conservado, denominado bucle de control alostérico, desempeña un papel en la regulación de las interacciones entre las regiones N y C-terminales al facilitar la comunicación entre los dominios en respuesta a la hidrólisis de ATP [10]. El dominio N también establece la direccionalidad 3′→5′ in vitro de MCM.  [30] [31]

Modelos de desenrollado del ADN.

En cuanto al mecanismo físico de cómo una helicasa hexamérica desenrolla el ADN, se han propuesto dos modelos basados ​​en datos in vivo e in vitro. En el modelo "estérico", la helicasa se transloca firmemente a lo largo de una hebra de ADN mientras desplaza físicamente la hebra complementaria. En el modelo de "bomba", pares de helicasas hexaméricas desenrollan el ADN dúplex, ya sea girándolo o extruyéndolo a través de canales en el complejo.

modelo estérico

El modelo estérico plantea la hipótesis de que la helicasa rodea el ADNds y, después de la fusión local del ADN dúplex en el origen, se traslada fuera del origen, arrastrando una "cuña" proteica rígida (ya sea parte de la propia helicasa u otra proteína asociada) que separa el ADN ds. Hebras de ADN. [32]

Modelo de bomba

El modelo de bomba postula que múltiples helicasas se cargan en los orígenes de replicación, se desplazan unas de otras y, de alguna manera, eventualmente quedan ancladas en su lugar. Luego rotan el ADNds en direcciones opuestas, lo que resulta en el desenrollamiento de la doble hélice en la región intermedia. [33] También se ha propuesto que el modelo de bomba esté restringido a la fusión del ADN de origen mientras los complejos Mcm2-7 todavía están anclados en el origen justo antes del inicio de la replicación. [1]

Papel en el cáncer

Se ha demostrado que varios MCM promueven la proliferación celular in vitro e in vivo, especialmente en ciertos tipos de líneas celulares cancerosas. La asociación entre los MCM y la proliferación en líneas celulares cancerosas se atribuye principalmente a su capacidad para mejorar la replicación del ADN. Las funciones de MCM2 y MCM7 en la proliferación celular se han demostrado en diversos contextos celulares e incluso en muestras humanas.  [26]

Se ha demostrado que MCM2 se expresa con frecuencia en células pulmonares premalignas en proliferación. Su expresión se asoció con células que tenían un mayor potencial de proliferación en epitelio escamoso no displásico, histiocitomas fibrosos malignos y carcinoma endometrial, mientras que la expresión de MCM2 también se correlacionó con un mayor índice mitótico en muestras de cáncer de mama.  [34]

De manera similar, muchos estudios de investigación han demostrado el vínculo entre la expresión de MCM7 y la proliferación celular. La expresión de MCM7 se correlacionó significativamente con la expresión de Ki67 en coriocarcinomas, cáncer de pulmón, neoplasia urotelial papilar, cáncer de esófago y cáncer de endometrio. Su expresión también se asoció con un mayor índice proliferativo en la neoplasia intraepitelial y el cáncer de próstata. [35]

Ver también

Referencias

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Enlaces externos