【原】维持DNA复制叉稳定的S期细胞周期检验点调控机制

摘要：DNA复制是细胞基本的生命活动之一，是生物体生存和繁殖的基础，复制叉是DNA复制的基本结构，其容易受到多种因素影响而停顿，导致基因组不稳定，从而引起细胞死亡、细胞凋亡或癌变等，为了维持复制叉的稳定性，细胞进化出了一系列机制，本文主要介绍维持DNA复制叉稳定的S期细胞周期检验点途径的机制及其研究进展。

关键词：DNA复制；复制叉；S期细胞周期检验点

The S-phase cell cycle checkpoint regulation mechanism that maintains the stability of DNA replication forks

Abstract: DNA replication is one of the basic life activities of cells, and it is the basis for the survival and reproduction of organisms. Replication forks are the basic structure of DNA replication and vulnerable to many kinds of factors, leading to instability of the genome and causing cell death, apoptosis or cancer, etc. In order to maintain the stability of the replication fork, cells have evolved a series of mechanisms. This article mainly introduces S-phase cells that maintain the stability of the DNA replication fork. The mechanism of periodic checkpoint approach and its research progress.

Key words: DNA replication; replication fork; intra-S phase checkpoint

DNA复制是DNA在细胞分裂间期S期将一条双链变成两条一样的双链，从而将遗传信息精确而完整地传递到子代，发生在所有以DNA为遗传物质的生物体中，是生物遗传的基础。

DNA复制叉是DNA复制时在DNA链上通过解旋、解链和SSB蛋白的结合等过程形成的Y字型结构。DNA复制过程中，非复制区保持着亲代双链结构，复制区的双螺旋分开，从此处形成两个子代双链，这两个相接区域称为复制叉，此处双螺旋的结构被破坏。复制就是复制叉沿着亲代DNA链移动，因此存在亲代双链的连续变性及子代双螺旋的重新形成过程。DNA复制的错误会导致基因组的不稳定，从而导致癌症的发生，而DNA复制的错误又主要来源于DNA复制叉的不稳定。DNA复制叉容易受到体内或体外多种因素的干扰，遭遇复制障碍停顿下来，停顿的 DNA 复制叉被证明是不稳定的，倾向于垮塌。

细胞周期检验点、DNA损伤修复、DNA同源重组修复等等一系列机制已被证明可以维持DNA复制叉的稳定。细胞周期检验点通路由信号感知、信号转导和效应发生组成，本文主要介绍维持DNA复制叉稳定的S期细胞周期检验点途径的机制及其研究进展。

1 S期细胞周期检验点

1.1 S期细胞周期检验点的信号激活

在停顿的复制叉附近，发生S期细胞周期检验点途径的激活，产生一些较长片段的单链DNA，RPA（replication protein A）蛋白可以识别并结合这些单链DNA，在20世纪60年代末，Hartwell实验室在芽殖酵母中筛选出命名为rad3-136突变株，该突变株对羟基脲高度敏感，羟基脲能通过清除酪氨酰自由基而抑制核糖核苷酸还原酶M2亚基的活性，从而抑制dNTPs的合成，导致DNA复制叉停顿，抑制了DNA复制的过程^[1]。RPA与单链DNA的结合促使ATR蛋白自身磷酸化，成为ATR通路激活的重要信号。

1.2 S期细胞周期检验点的信号转导

Nurse等人也证实了Cdc2蛋白是高度保守的细胞周期调控蛋白。S期细胞周期检验点的信号转导主要通过ATR-Chk1、ATR-Chk2等信号通路顺序磷酸化一些了的蛋白质。ATR蛋白激酶的主要下游底物是Chk1（check point 1）,ATR调控Chk1蛋白从而达到控制细胞周期、稳定停顿的复制叉并修复DNA损伤的目的。在人的细胞中，被激活的ATR通过Claspin激活Chk1，而在裂殖酵母中，Cds1是Chk1的同源蛋白，ATR通过激活Cds1来维持复制叉的稳定^[2]。Cds1蛋白与人体细胞中的Chk2蛋白有着同源序列，但是Cds1蛋白的功能却与人体细胞的Chk1蛋白更相似。Rad3/Rad26^ATR/ATRIP和Mrc1蛋白促使Cds1蛋白的激活，使被激活的Cds1蛋白可以稳定停顿的复制叉，从而进行DNA的修复，并且可以直接磷酸化Cdc25以调控裂殖酵母细胞的周期。

1.3 S期细胞周期检验点的效应发生

在人体细胞中，S期细胞周期检验点通过磷酸化p53和Cdc25蛋白，调节细胞周期相关蛋白的表达或活性，从而将细胞周期停滞或延迟在S期，为细胞修复损伤的DNA提供充足时间^[3]。Chk1或Cds1蛋白直接磷酸化Cdc25蛋白，抑制Cdc25的磷酸酶活性，从而抑制CDK的活性并且延长S期。

停顿复制叉不稳定、倾向于垮塌的根本原因是当 DNA 聚合酶被阻挡后，复制解旋酶与 DNA 聚合酶倾向于分开。Rad3ATR-Cds1Chk2 检查点直接针对复制下的 Cdc45-MCM-GINS (CMG) 复制解旋酶。当复制叉停止时，Cds1Chk2 激酶直接磷酸化S275、S322 和 S397残基上的Cdc45，从而显着降低 CMG 解旋酶活性。 此外，在Cds1Chk2 突变的细胞中，CMG解旋酶和 DNA 聚合酶是物理分离的，可能会破坏复制体和折叠复制叉。研究表明，S期细胞周期检查点直接调节复制的延伸，降低CMG解旋酶持续合成能力，防止CMG解旋酶与 DNA 聚合酶相互分离，因此有助于保持停滞的复制体和复制叉的完整性^[4]。

2 展望

目前，关于真核细胞染色体DNA复制叉稳定性的维持方面的研究已经取得了很大的进展，但是还有很多问题有待解决，关于维持复制叉稳定性方面的研究主要集中在寻找新的维持复制叉稳定性的机制、坚定已有信号通路中相关蛋白质的调节修饰以及研究各个通路在维持复制叉稳定性方面的协调作用。因此，有关维持DNA复制叉稳定性机制的研究仍需要进一步深入的研究。

参考文献

[1]刘阳,孙静亚,孔道春.真核细胞DNA复制叉稳定性维持机制的研究进展[J].生命科学,2014,26(11):1108-1119.

[2]吴丽虹,刘阳,孔道春.真核细胞染色体DNA复制起始及复制叉稳定性维持的机制[J].中国科学:生命科学,2013,43(10):824-832.

[3]刘阳,孙静亚,孔道春.真核细胞DNA复制叉稳定性维持机制的研究进展[J].生命科学,2014,26(11):1108-1119.

[4]Liu Yang,Wang Lu,Xu Xin,Yuan Yue,Zhang Bo,Li Zeyang,Xie Yuchen,Yan Rui,Zheng Zeqi,Ji Jianguo,Murray Johanne M,Carr Antony M,Kong Daochun. The intra-S phase checkpoint directly regulates replication elongation to preserve the integrity of stalled replisomes.[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2021,118(24).