Fkh1

Replikatsioonikahvli (Forkhead) transkriptsioonifaktor Fkh1 on konserveerunud Forkhead box FOX transkriptsioonifaktorite perekonda kuuluv valk, mille peamiseks rolliks on G2/M faasis geenide ekspressioon. Fkh1 vahendab replikatsioonisaitide koondamist ja varajaste saitide aktivatsiooni. Fkh1 on vajalik varajaste replikatsioonisaitide klastrite moodustamiseks ja G1 faasis nendele võtmeinitsiatsioonifaktori Cdc45 seondamiseks. Fkh1 valib selektiivselt replikatsioonisaite, et moodustada replikatsioonitehaseid, koondades selleks Fkh1-aktiveeritavaid saite ja interakteerudes ORC-iga . Fkh1 on suures osas vastutav replikatsioonisaitide erineval ajal initsieerimise eest üle genoomi, luues ajutise saitide aktiveerimise programmi. Eukarüootsete organismide kromosoomide replikatsioon tuumas on organiseeritud ajaliselt ja ruumiliselt. DNA replikatsioon initsieeritakse autonoomselt replitseeruvatelt järjestustelt (Autonomously replicating sequence ARSs). ARS-id on 100–200 aluspaari pikkused kromosomaalsed DNA järjestused, mis esmalt avastati pagaripärmis. Eukarüootse replikatsiooni algussaidiga seostuvad ORC valgud, mis märgistavad potentsiaalsed replikatsioonikahvli assambleerumiskohad . M/G1 faasi üleminekul laetakse ARS-ile MCM2-7 (Minichromosome maintenance complex). Mcm2-7 kompleks käitub replikatsioonikahvlis kui helikaas. Moodustunud kompleksi nimetatakse pre-replikatiivseks kompleksiks, mis potentseerib initsiatsiooniks sobilikud saidid. MCM helikaasi aktivatsiooniks on vajalik Cdc45. Mitmed katsed on näidanud, et Cdc45 seondumine replikatsioonisaitidele viitab usaldusväärselt nende saitide replitseerumisele . Seda on kinnitatud katsetega, kus on näidatud, et Cdc45 seondub saitidele samaaegselt DNA polümeraasi ɛ katalüütilise subühikuga Pol2 . Replikatsioon initsieeritakse Dbf4 kinaasi (DDK) ja tsükliin-sõltuva kinaasi (CDK) poolt. Kromosomaalne DNA replikatsioon on peamiselt reguleeritud läbi replikatsiooni initsieerimise algussaitidel. M/G1 faasi üleminekul moodustuvad pre-replikatiivsed kompleksid, millel on potentsiaal moodustada funktsionaalne replikatsioonikahvel. S faasi sisenedes seostatakse kompleksiga Cdc45 ja tsükliin-sõltuv kinaas algatab lisafaktorite seondamise. Selle tulemusel moodustub replikatsioonieelsest kompleksist aktiivne replikatsioonikahvel ehk replisoom. Mitte kõik pre-replikatiivsed kompleksid ei alusta üheaegselt S-faasis replikatsiooni. Alamhulk nendest koondub gruppi ja nendelt initsieeritakse replikatsioon varem. Kokku pandud kompleks koosneb paljudest replisoomidest, mis moodustavad kokku ühtse replikatsioonitehase . Varasemad ja efektiivsemad replikatsioonisaidid replitseerivad passiivselt ka nende hilisemad ja vähemefektiivsed naabersaidid. Replikatsioonikompleksid on dünaamilised struktuurid ning varajaste replikonide töö lõppedes antud replikatsioonitehased lagunevad, võimaldades järgmistel replikatsioonieelsetel kompleksidel formeeruda, moodustada replikatsioonitehaseid ja alustada replikatsiooni. Erinevad replikatsioonisaidid alustavad replikatsiooni erineva efektiivsusega. Eristada võib varaseid ja hiliseid saite, mis moodustavad kromosoomidel erinevaid replikatsioonimustreid. Spetsiifilistele saitidele iseloomulik initsiatsiooni ajastus peegeldab nende kromosoomisisest asukohta või kromatiinikeskkonda. Replikatsiooni ajastus korreleerub tavaliselt geenide aktiivsuse ning kromatiini struktuuriga, vastavalt sellele asuvad varem replitseeruvad piirkonnad transkriptsiooniliselt aktiivsetes eukromatiini piirkondades ja hiljem replitseeruvad alad, mis on transkriptsiooniliselt vaigistatud, heterokromatiini piirkonnas . Lisaks võib replikatsioonisaitide aktiivsust mõjutada nukleosoomi asetus ja histoonide posttranslatsiooniline modifitseerimine . Kromatiini struktuur ja organisatsioon mõjutab peaaegu kõiki genoomseid protsesse . Mehhanismid, mis kontrollivad replikatsioonisaitide ruumilist paigutust, omavad potentsiaalset mõju genoomi regulatsioonile ja enamgi. Koromatiini modifitseeritakse pidevalt selleks, et võimaldada erinevate protsesside samaaegset toimimist. Sellise keerulise mehhanismi tagamiseks peavad olema fundamentaalsed protsessid nagu DNA replikatsioon ja transkriptsioon täpselt koordineeritud, et säilitada täpsust. Häired võivad viia genoomi ebastabiilsuse ja arengudefektideni. Selleks et selgitada välja, kas replikatsioonisaidi initsiatsiooni ajastus sõltub nende primaarsest järjestusest või genoomisisesest asukohast, on viidud mudelorganism pärmi genoomi erinevad muutused, tõstes erinevaid ARS saite uude kromatiinikeskkonda. Sel viisil ümberpaigutatud saidid replitseerusid vastavalt uuele kromatiinikeskkonnale ja allusid selle lokaalsele regulatsioonile. Esialgselt erineva replikatsioonimustriga saidid omandasid identses kromatiinikeskkonnas sarnase replikatsioonimustri. Erinevate saitide genoomisisesel ümberpaigutamisel on leitud ka replikatsioonisaidid, mille replikatsiooni initsiatsioon ei sõltu nende kromatiinikeskkonnast. Need tulemused näitavad, et mõningad varajaselt initsieeruvad ARS saidid võivad tagasi lükata kromatiinikeskkonnast tuleneva kontrolli, mis mõjutab nende initsieerimise ajastust. Sel viisil säilitavad need saidid oma replikatsioonimustri ka uues kromosoomikeskkonnas. On välja toodud, et mitte kõik varajased saidid ei võta üle uut replikatsioonimustrit. Sellest on järeldatud, et mõningad varajased ARS saidid omavad spetsiifilisi järjestuselemente, mis kindlustavad nende esialgse replikatsioonimustri ka uues kromatiinikeskkonnas. Koos teise Forkhead valguga Fkh2 reguleerivad replikatsiooni alguse ajastust, modifitseerides kromosoomi ehitust ja struktuuri ning genoomi ruumilist paigutust tuumas . Hiljutised uuringud viitavad, et mõningate saitide varajaseks replikatsiooni initsiatsiooniks on vajalik forkhead transkriptsioonifaktoritest sõltuv replikatsioonisaitide koondamine. Selline mehhanism viitab, et kromosoomi ruumiline paiknemine omab rolli replikatsioonisaitide initsieerimisel . Varajaste replikatsioonisaitide detailse analüüsi tulemusel on leitud, et kromatiinist sõltumatu replikatsiooni initsiatsioon on vahendatud kahe Fkh1/2 valgu seondumissaidi poolt, kinnitades Forkhead valkude rolli varajaste replikatsioonisaitide regulatsioonis . Erinevatel aegadel initsieeritavad saidid on jaotatavad eri klassidesse vastavalt nende initsieerimise ajastusele ja vastavalt sellele koonuduvad lineaarselt gruppidesse piki kromosoomi. Fkh1 mõjutab replikatsioonisaitide funktsioneerimist, reguleerides juurdepääsu erinevatele replikatsioonifaktoritele nagu Cdc45. Fkh1 poolt selekteeritud saitide või replikatsioonikollete paiknemine tuumas võib seletada nende soodustatud ligipääsu initsiatsioonifaktoritele, milleks on näiteks Cdc45. Sellega kooskõlas on näidatud varajaste saitide koondumine G1 faasis, läbi Fkh1 selektiivse saidivaliku. Seondudes replikatsioonisaidiga, võib Fkh1 stabiliseerida saite, luues sideme ORC-iga, mis on seondunud teistele, Fkh1 poolt aktiveeritavatele saitidele . Knott SR, Peace JM, Ostrow AZ, Gan Y, Rex AE, Viggiani CJ, Tavare´ S,Aparicio OM (2012) Forkhead transcription factors establish origin timing and long-range clustering in S. cerevisiae. Cell 148: 99–111 DOI: 10.1016/j.cell.2011.12.012. Bell SP, Dutta A (2002) DNA replication in eukaryotic cells. Annu Rev Biochem 71: 333–374. PMID:12045100 Lõoke M, Reimand J, Sedman T, Sedman J, Järvinen L, Värv S, Peil K, Kristjuhan K, Vilo J, Kristjuhan A (2010) Relicensing of transcriptionally inactivated replication origins in budding yeast. J Biol Chem 285:40004–40011 DOI: 10.1074/jbc.M110.148924. Marko Lõoke, Kersti Kristjuhan, Signe Värv & Arnold Kristjuhan (2013) Chromatin-dependent and -independent regulationof DNA replication origin activation in budding yeast. EMBO reports VOL 14 | NO 2 DOI: 10.1038/embor.2012.196. Kitamura, E., Blow, J.J., and Tanaka, T.U. (2006). Live-cell imaging reveals replication of individual replicons in eukaryotic replication factories. Cell 125,1297–1308. DOI: 10.1016/j.cell.2006.04.041. Diller, J.D., and Raghuraman, M.K. (1994). Eukaryotic replication origins:control in space and time. Trends Biochem. Sci. 19, 320–325. Gilbert, D.M. (2002). Replication timing and transcriptional control: beyond cause and effect. Curr. Opin. Cell Biol. 14, 377–383. PMID: 12067662. Jenuwein, T., and Allis, C.D. (2001). Translating the histone code. Science 293,1074–1080.DOI: 10.1126/science.1063127. Misteli, T. (2007). Beyond the sequence: cellular organization of genome function. Cell 128, 787–800 DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2007.01.028. "A. Zachary Ostrow, Tittu Nellimoottil, Simon R. V. Knott, Catherine A. Fox, Simon Tavaré, Oscar M. Aparicio mail (2014) Fkh1 and Fkh2 bind multiple chromosomal elements in the S. cerevisiae genome with distinct specificities and cell cycle dynamics" DOI: 10.1371/journal.pone.0087647.