Entretien des minichromosomes - Minichromosome maintenance

Famille MCM2-7
Structure globale MCM DH.jpg
Structure globale du double hexamère Mcm2-7
Identifiants
symbole MCM
Pfam PF00493
Clan Pfam CL0023
InterPro IPR031327
INTELLIGENT SM00350
PROSITE PDOC00662
Pfam correspond au domaine de liaison ATP central.

Le complexe protéique de maintenance des minichromosomes ( MCM ) est une ADN hélicase essentielle à la réplication de l'ADN génomique. Le MCM eucaryote se compose de six produits géniques, Mcm2-7, qui forment un hétérohexamère. En tant que protéine critique pour la division cellulaire, la MCM est également la cible de diverses voies de contrôle, telles que les points de contrôle d'entrée en phase S et d'arrêt en phase S. Le chargement et l'activation de l'hélicase MCM sont strictement régulés et sont couplés aux cycles de croissance cellulaire. La dérégulation de la fonction MCM a été liée à l'instabilité génomique et à une variété de carcinomes.

Histoire et structure

Homologie partagée par les membres de la famille des protéines Mcm2-7. L'homologie entre les six membres de la famille est indiquée en noir. L'homologie de chaque membre à travers les espèces est indiquée en couleur.

Les protéines de maintenance des minichromosomes ont été nommées d'après un criblage génétique de levure pour les mutants défectueux dans la régulation de l'initiation de la réplication de l'ADN. La justification de ce criblage était que si les origines de réplication étaient régulées d'une manière analogue aux promoteurs de transcription, où les régulateurs transcriptionnels montraient une spécificité de promoteur, alors les régulateurs de réplication devraient également montrer une spécificité d'origine. Étant donné que les chromosomes eucaryotes contiennent de multiples origines de réplication et que les plasmides n'en contiennent qu'une, un léger défaut dans ces régulateurs aurait un effet dramatique sur la réplication des plasmides mais peu d'effet sur les chromosomes. Dans ce criblage, des mutants conditionnels à la perte de plasmide ont été identifiés. Dans un criblage secondaire, ces mutants conditionnels ont été sélectionnés pour des défauts de maintien des plasmides contre une collection de plasmides portant chacun une séquence d'origine différente. Deux classes de mutants mcm ont été identifiées : ceux qui affectaient la stabilité de tous les minichromosomes et d'autres qui affectaient la stabilité d'un sous-ensemble des minichromosomes seulement. Les premiers étaient des mutants défectueux dans la ségrégation des chromosomes tels que mcm16, mcm20 et mcm21. Parmi cette dernière classe de mutants spécifiques à l'origine figuraient mcm1, mcm2, mcm3, mcm5 et mcm10. Plus tard, d'autres ont identifié Mcm4, Mcm6 et Mcm7 dans des levures et d'autres eucaryotes sur la base d'une homologie avec Mcm2p, Mcm3p et Mcm5p, élargissant la famille MCM à six, connue par la suite sous le nom de famille Mcm2-7. Chez les archées, le cycle hétérohexamère est remplacé par un homohexamère composé d'une protéine mcm de type unique , indiquant une histoire de duplication et de diversification de gènes.

Mcm1 et Mcm10 sont également impliqués dans la réplication de l'ADN, directement ou indirectement, mais n'ont aucune homologie de séquence avec la famille Mcm2-7.

Fonction dans l'initiation et l'élongation de la réplication de l'ADN

MCM2-7 est requis à la fois pour l'initiation et l'élongation de la réplication de l'ADN ; sa régulation à chaque étape est une caractéristique centrale de la réplication de l'ADN eucaryote. Au cours de la phase G1, les deux anneaux Mcm2-7 tête à tête servent d'échafaudage pour l'assemblage des complexes d'initiation de la réplication bidirectionnelle à l'origine de la réplication. Pendant la phase S, le complexe Mcm2-7 forme le noyau catalytique de l'hélicase Cdc45-MCM-GINS - le moteur de déroulement de l'ADN du réplisome.

G1/assemblage complexe pré-réplicatif

La sélection du site pour les origines de réplication est effectuée par le Complexe de reconnaissance d'origine (ORC), un complexe à six sous-unités (Orc1-6). Au cours de la phase G1 du cycle cellulaire, Cdc6 est recruté par ORC pour former une rampe de lancement pour le chargement de deux hexamères Mcm2-7 tête à tête, également connu sous le nom de complexe de pré-réplication (pré-RC). Il existe des preuves génétiques et biochimiques que le recrutement du double hexamère peut impliquer un ou deux ORC. L'hexamère soluble Mcm2-7 forme une structure flexible à anneau ouvert gaucher stabilisée par Cdt1 avant son chargement sur la chromatine, un à la fois. La structure de l'intermédiaire ORC-Cdc6-Cdt1-MCM (OCCM) formé après le chargement du premier heptamère Cdt1-Mcm2-7 indique que le domaine de l'hélice ailée au niveau des extensions C-terminales (CTE) du complexe Mcm2-7 est fermement s'ancrer sur les surfaces créées par la structure cyclique ORC-Cdc6 autour de l'ADN d'origine. On pense que la fusion des deux hexamères Mcm2-7 tête à tête est facilitée par l'élimination de Cdt1, laissant les NTD des deux hexamères MCM flexibles pour les interactions inter-anneaux. Le chargement de MCM2-7 sur l'ADN est un processus actif qui nécessite l'hydrolyse de l'ATP par Orc1-6 et Cdc6. Ce processus est appelé « licence de réplication » car il s'agit d'une condition préalable à l'initiation de la réplication de l'ADN dans chaque cycle de division cellulaire.

Fin G1/début S - initiation

À la fin de la phase G1/début S, le pré-RC est activé pour le déroulement de l'ADN par les kinases dépendantes des cyclines (CDK) et DDK. Cela facilite le chargement de facteurs de réplication supplémentaires (par exemple, Cdc45 , MCM10 , GINS et ADN polymérases ) et le déroulement de l'ADN à l'origine. Une fois la formation pré-RC terminée, Orc1-6 et Cdc6 ne sont plus nécessaires pour la rétention de MCM2-7 à l'origine, et ils sont superflus pour la réplication ultérieure de l'ADN.

Phase S/allongement

Lors de l'entrée en phase S, l'activité des CDK et de la kinase dépendante de Dbf4 (DDK) Cdc7 favorise l'assemblage de fourches de réplication , probablement en partie en activant MCM2-7 pour dérouler l'ADN. Après le chargement de l'ADN polymérase, la réplication bidirectionnelle de l'ADN commence.

Pendant la phase S, Cdc6 et Cdt1 sont dégradés ou inactivés pour bloquer la formation supplémentaire de pré-RC, et la réplication bidirectionnelle de l'ADN s'ensuit. Lorsque la fourche de réplication rencontre des lésions dans l'ADN, la réponse du point de contrôle en phase S ralentit ou arrête la progression de la fourche et stabilise l'association de MCM2-7 avec la fourche de réplication pendant la réparation de l'ADN.

Rôle dans les licences de réplication

Le système de licence de réplication agit pour garantir que la section no du génome est répliquée plus d'une fois dans un seul cycle cellulaire.

L'inactivation d'au moins cinq des six sous-unités MCM pendant la phase S bloque rapidement l'allongement en cours. En tant que mécanisme essentiel pour assurer un seul cycle de réplication de l'ADN, le chargement de complexes MCM2-7 supplémentaires dans les pré-RC est inactivé par des moyens redondants après le passage en phase S. 

L'activité de MCM2-7 peut également être régulée pendant l'allongement. La perte de l'intégrité de la fourche de réplication, un événement précipité par des dommages à l'ADN, une séquence d'ADN inhabituelle ou des précurseurs de désoxyribonucléotides insuffisants, peut entraîner la formation de cassures double brin d'ADN et de réarrangements chromosomiques. Normalement, ces problèmes de réplication déclenchent un point de contrôle en phase S qui minimise les dommages génomiques en bloquant un allongement supplémentaire et en stabilisant physiquement les associations protéine-ADN au niveau de la fourche de réplication jusqu'à ce que le problème soit résolu. Cette stabilisation de la fourche de réplication nécessite l'interaction physique de MCM2-7 avec Mrc1, Tof1 et Csm3 (complexe M/T/C). En l'absence de ces protéines, le déroulement de l'ADNdb et le mouvement des réplisomes alimentés par MCM2-7 se poursuivent, mais la synthèse de l'ADN s'arrête. Au moins une partie de cet arrêt est due à la dissociation de la polymérase de la fourche de réplication.

Structure biochimique

Chaque sous-unité de la structure MCM contient deux grands domaines N- et C-terminaux. Le domaine N-terminal se compose de trois petits sous-domaines et semble être utilisé principalement pour l'organisation structurelle. Le domaine N peut se coordonner avec le domaine AAA + hélicase C-terminal d'une sous-unité voisine à travers une boucle longue et conservée. Il a été démontré que cette boucle conservée, appelée boucle de contrôle allostérique, joue un rôle dans la régulation des interactions entre les régions N- et C-terminales en facilitant la communication entre les domaines en réponse à l'hydrolyse de l'ATP [10]. Le domaine N établit également la directivité 3'→5' in vitro du MCM. 

Modèles de déroulement de l'ADN

Concernant le mécanisme physique de la façon dont une hélicase hexamérique déroule l'ADN, deux modèles ont été proposés sur la base de données in vivo et in vitro. Dans le modèle "stérique", l'hélicase effectue une translocation étroite le long d'un brin d'ADN tout en déplaçant physiquement le brin complémentaire. Dans le modèle "pompe", des paires d'hélicases hexamériques déroulent l'ADN duplex en le tordant ou en l'extrudant à travers des canaux dans le complexe.

Modèle stérique

Le modèle stérique émet l'hypothèse que l'hélicase encercle l'ADNdb et, après fusion locale de l'ADN duplex à l'origine, s'éloigne de l'origine, entraînant un "coin" protéique rigide (soit une partie de l'hélicase elle-même ou une autre protéine associée) qui sépare le brins d'ADN.

Modèle de pompe

Le modèle de pompe postule que plusieurs hélicases se chargent aux origines de réplication, s'éloignent les unes des autres et, d'une certaine manière, finissent par s'ancrer en place. Ils font ensuite tourner l'ADNdb dans des directions opposées, ce qui entraîne le déroulement de la double hélice dans la région intermédiaire. Le modèle de pompe a également été proposé pour être limité à la fusion de l'ADN d'origine alors que les complexes Mcm2-7 sont toujours ancrés à l'origine juste avant l'initiation de la réplication.

Rôle dans le cancer

Il a été démontré que divers MCM favorisent la prolifération cellulaire in vitro et in vivo, en particulier dans certains types de lignées cellulaires cancéreuses. L'association entre les MCM et la prolifération dans les lignées cellulaires cancéreuses est principalement attribuée à sa capacité à améliorer la réplication de l'ADN. Les rôles de MCM2 et MCM7 dans la prolifération cellulaire ont été démontrés dans divers contextes cellulaires et même dans des spécimens humains. 

Il a été démontré que MCM2 est fréquemment exprimé dans les cellules pulmonaires précancéreuses en prolifération. Son expression était associée à des cellules ayant un potentiel de prolifération plus élevé dans l'épithélium squameux non dysplasique, les histiocytomes fibreux malins et le carcinome de l'endomètre, tandis que l'expression de MCM2 était également corrélée à un index mitotique plus élevé dans les échantillons de cancer du sein. 

De même, de nombreux travaux de recherche ont montré le lien entre l'expression de MCM7 et la prolifération cellulaire. L'expression de MCM7 était significativement corrélée avec l'expression de Ki67 dans les choriocarcinomes, le cancer du poumon, la néoplasie urothéliale papillaire, le cancer de l'œsophage et le cancer de l'endomètre. Son expression était également associée à un indice de prolifération plus élevé dans les néoplasies intraépithéliales prostatiques et le cancer.

Voir également

Les références

Liens externes