kohezyna - Cohesin

Ten artykuł dotyczy kompleksu białkowego. Dla domeny białkowej w bakteriach rozkładających celulozę, patrz domena kohezyny .
Schemat kohezyny przedstawiający jej cztery składowe podjednostki białkowe

Kohezyna jest kompleksem białkowym pośredniczącym w kohezji chromatyd siostrzanych , rekombinacji homologicznej i tworzeniu pętli DNA . Kohezyna składa się z SMC3 , SMC1 , SCC1 i SCC3 ( SA1 lub SA2 u ludzi). Kohezyna utrzymuje razem chromatydy siostrzane po replikacji DNA aż do anafazy, kiedy usunięcie kohezyny prowadzi do rozdzielenia chromatyd siostrzanych. Kompleks tworzy strukturę podobną do pierścienia i uważa się, że chromatydy siostrzane są utrzymywane razem przez uwięzienie wewnątrz pierścienia kohezyny. Cohesin jest członkiem rodziny kompleksów białkowych SMC, która obejmuje Condensin , MukBEF i SMC-ScpAB.

Kohezyna została oddzielnie odkryta w pączkujących drożdżach przez Douglasa Koshlanda i Kim Nasmytha .

Struktura

Modele SMC i struktury kohezyny

Cohesin to wielopodjednostkowy kompleks białkowy złożony z SMC1, SMC3, RAD21 i SCC3 (SA1 lub SA2). SMC1 i SMC3 należą do rodziny strukturalnej konserwacji chromosomów (SMC) . Białka SMC mają dwie główne cechy strukturalne: domenę „głową” przypominającą kasetę wiążącą ATP z aktywnością ATPazy (utworzoną przez interakcję końców N- i C-) oraz domenę zawiasową, która umożliwia dimeryzację SMC. Domeny główki i zawiasu są połączone ze sobą za pomocą długich, antyrównoległych cewek. Dimer występuje w kształcie litery V, połączonym zawiasami.

Domena N-końcowa RAD21 zawiera dwie α-helisy, które tworzą wiązkę trzech helis ze zwiniętą cewką SMC3. Uważa się, że centralny region RAD21 jest w dużej mierze nieustrukturyzowany, ale zawiera kilka miejsc wiążących dla regulatorów kohezyny. Obejmuje miejsce wiązania SA1 i SA2, motywów ujmowania separaza rozszczepienia i regionu, który konkurencyjnie wiąże przez PDS5A , PDS5B lub NIPBL . Domena C-końcowa RAD21 tworzy uskrzydloną helisę, która wiąże dwie β-kartki w domenie głowy Smc1.

Gdy RAD21 zwiąże się z białkami SMC, SCC3 może również łączyć się z RAD21. Kiedy RAD21 wiąże się zarówno z SMC1, jak i SMC3, kompleks kohezyny tworzy zamkniętą strukturę pierścieniową. Interfejsy między podjednostkami SMC i RAD21 mogą się otworzyć, aby umożliwić DNA wchodzenie i wychodzenie z pierścienia kohezyny.

Chociaż struktury są dostępne dla wielu podjednostek i ich interfejsów, struktura całego kompleksu spójności nie została rozwiązana. Nasza wiedza na temat konformacji kohezyny pochodzi w dużej mierze z mikroskopii elektronowej. Badania te ujawniły kohezynę w wielu konformacjach, w tym pierścieniach, wydłużonych pręcikach i ostatnio w konformacjach pofałdowanych. Nie wiadomo, która konformacja dominuje wewnątrz komórki i czy niektóre są indukowane przez przygotowanie próbki.

Funkcjonować

Pierścień kohezynowy pełni wiele funkcji:

1. Służy do utrzymywania połączenia siostrzanych chromatyd ze sobą podczas metafazy, zapewniając, że podczas mitozy (i mejozy ) każda siostrzana chromatyda segreguje się do przeciwnych biegunów. Bez kohezyny komórka nie byłaby w stanie kontrolować segregacji chromatyd siostrzanych, ponieważ nie byłoby możliwości zapewnienia, czy włókno wrzeciona przyłączone do każdej chromatydy siostrzanej pochodzi z innego bieguna.

2. Ułatwia przyczepienie wrzeciona do chromosomów .

3. Ułatwia naprawę DNA poprzez rekombinację .

4. Ostatnio odkryto wiele nowych funkcji kohezyny w wielu różnych procesach komórkowych. Wykazano, że kohezyna jest odpowiedzialna za regulację transkrypcji, naprawę pęknięć dwuniciowego DNA , kondensację chromosomów, parowanie chromosomów homologicznych podczas mejozy I , mono-orientację siostrzanych kinetochorów podczas mejozy I, niehomologiczne sprzężenie centromerów , architekturę i rearanżację chromosomów, DNA replikacja itp.

Dysocjacja kohezji chromatyd siostrzanych

Kompleks promujący anafazę związany z Cdc20 (APC/C-cdc20) oznacza Securin (inhibitor anafazy) do degradacji przez proteasom. Sekuryna jest rozszczepiana w anafazie , po degradacji, w której pośredniczy APC/C-cdc20, i powoduje rozszczepienie podjednostki kleizyny przez separazę (proteazę hamowaną przez połączenie z sekuryną). Alfa-kleizyna jest powiązana z kompleksem kohezyny, łącząc ze sobą zarówno SMC 3, jak i SMC 1, przy czym dokładna kleizyna waha się między mitozą a mejozą (odpowiednio Scc1 i Rec8), a jej rozszczepienie ostatecznie prowadzi do usunięcia kohezyny z chromosomów.

Dysocjacja kohezji chromatyd siostrzanych określa początek anafazy, która ustanawia dwa zestawy identycznych chromosomów na każdym biegunie komórki ( telofaza ). Następnie dwie komórki potomne rozdzielają się iw każdej z nich rozpoczyna się nowa runda cyklu komórkowego , na etapie G0. Kiedy komórki są gotowe do podziału, ponieważ rozmiar komórki jest wystarczająco duży lub ponieważ otrzymują odpowiedni bodziec, aktywują mechanizm wejścia w fazę G1 cyklu komórkowego i duplikują większość organelli podczas fazy S (syntezy), w tym ich centrosom . Dlatego po zakończeniu procesu podziału komórki każda komórka potomna otrzyma kompletny zestaw organelli. Jednocześnie w fazie S wszystkie komórki muszą bardzo dokładnie duplikować swoje DNA , co określa się mianem replikacji DNA . Po zakończeniu replikacji DNA u eukariontów cząsteczka DNA jest zagęszczana i zagęszczana, tworząc chromosomy mitotyczne , z których każdy składa się z dwóch siostrzanych chromatyd , które utrzymują się razem dzięki ustanowieniu spójności między nimi; każda chromatyda jest kompletną cząsteczką DNA, przyłączoną przez mikrotubule do jednego z dwóch centrosomów dzielącej się komórki, znajdujących się na przeciwległych biegunach komórki. Aby uniknąć przedwczesnej separacji chromatyd siostrzanych, APC/C jest utrzymywany w stanie nieaktywnym związanym z różnymi cząsteczkami, które są częścią złożonego mechanizmu zwanego punktem kontrolnym montażu wrzeciona .

Mechanizm spójności Siostry Chromatyd

Nie jest jasne, w jaki sposób pierścień kohezyny łączy ze sobą chromatydy siostrzane. Istnieją dwa możliwe scenariusze:

  1. Podjednostki kohezyny wiążą się z każdą siostrzaną chromatydą i tworzą most między nimi.
  2. Ponieważ kohezyna ma strukturę pierścieniową, jest w stanie otoczyć obie siostrzane chromatydy.

Aktualne dowody sugerują, że najbardziej prawdopodobny jest drugi scenariusz. Białka niezbędne dla kohezji chromatyd siostrzanych, takie jak Smc3 i Scc1, nie regulują tworzenia wiązań kowalencyjnych między kohezyną a DNA, co wskazuje, że oddziaływanie DNA nie jest wystarczające do kohezji. Ponadto zakłócenie struktury pierścieniowej kohezyny poprzez rozszczepienie Smc3 lub Scc1 powoduje przedwczesną segregację chromatyd siostrzanych in vivo. To pokazuje, że struktura pierścienia jest ważna dla funkcji kohezyny.

Wczesne badania sugerowały różne sposoby, w jakie kohezyna może uwięzić DNA, w tym jako monomer, który utrzymuje oba homologi razem, oraz model „ręcznego mankietu”, w którym dwa przeplatające się kompleksy kohezyny zawierają po jednej siostrzanej chromatydzie. Podczas gdy niektóre badania wspierają ideę modelu kajdanek, model ten jest niezgodny z wieloma obserwacjami eksperymentalnymi i ogólnie uważa się, że zatrzymuje chromatynę jako monomer.

Chociaż hipoteza pierścienia wydaje się słuszna, nadal istnieją pytania dotyczące liczby pierścieni wymaganych do utrzymywania razem chromatyd siostrzanych. Jedną z możliwości jest to, że jeden pierścień otacza dwie chromatydy. Inna możliwość polega na stworzeniu dimeru, w którym każdy pierścień otacza jedną siostrzaną chromatydę. Dwa pierścienie są połączone ze sobą poprzez utworzenie mostka, który utrzymuje razem dwie siostrzane chromatydy.

Topologię i strukturę tych podjednostek najlepiej scharakteryzowano u pączkujących drożdży, ale konserwacja sekwencji tych białek oraz obserwacje biochemiczne i pod mikroskopem elektronowym sugerują, że kompleksy kohezyny u innych gatunków są bardzo podobne w swojej strukturze [1] .

Kompleks kohezynę ustalono w początkowych etapach w fazie S . Kompleksy łączą się z chromosomami, zanim nastąpi replikacja DNA. Gdy komórki zaczną replikować swoje DNA, pierścienie kohezynowe zamykają się i łączą ze sobą chromatydy siostrzane. Kompleksy kohezyny muszą być obecne podczas fazy S, aby zaszła kohezja. Nie jest jednak jasne, w jaki sposób kohezyna jest ładowana na chromosomy podczas G1 . Do tej pory zaproponowano dwie hipotezy:

  1. Domena ATPazy białek SMC oddziałuje z DNA i ta interakcja początkowo pośredniczy w ładowaniu kompleksów kohezyny na chromosomy.
  2. W procesie ładowania pomaga kilka białek. Na przykład, Scc2 i Scc4 są wymagane, aby kohezyna załadowała się do pączkujących drożdży.

Lokalizacja pierścieni kohezynowych

Wiązanie kohezyny wzdłuż chromosomalnego DNA jest uważane za dynamiczne, a jego lokalizacja zmienia się na podstawie transkrypcji genu, specyficznej sekwencji DNA i obecności białek związanych z chromosomem. Istnieją trzy możliwe scenariusze:

  1. Na lokalizację kohezyny wpływa orientacja sąsiednich genów i najczęściej znajduje się ona w obszarach zbieżnej transkrypcji. Orientacja genów zależy od kierunku transkrypcji i może być trzech typów: głowa do głowy, głowa do ogona i ogon do ogona. Konfiguracja ogon-ogon skutkuje konwergencją maszynerii transkrypcyjnej. Jedna z hipotez mówi, że polimeraza RNA „popycha” kohezynę wzdłuż DNA, powodując ich ruch w kierunku polimeraz RNA. Zmiana wzorca transkrypcji genów zmienia lokalizację kohezyny, co wskazuje, że lokalizacja kohezyny może zależeć od transkrypcji.
  2. W innym modelu, ekstruzja pętli chromatyny jest popychana przez superzwijanie generowane przez transkrypcję, co zapewnia również szybką relokalizację kohezyny i wzrost pętli z rozsądną prędkością iw dobrym kierunku. Ponadto mechanizm wytłaczania pętli napędzany superzwijaniem jest zgodny z wcześniejszymi wyjaśnieniami sugerującymi, dlaczego topologicznie asocjujące domeny (TAD) flankowane przez zbieżne miejsca wiązania CTCF tworzą bardziej stabilne pętle chromatyny niż TAD oflankowane przez rozbieżne miejsca wiązania CTCF. W tym modelu superzwijanie stymuluje również kontakty z promotorem wzmacniacza i proponuje się, że transkrypcja eRNA wysyła pierwszą falę superzwijania, która może aktywować transkrypcję mRNA w danym TAD.
  3. Kilka pierścieni kohezyny znajduje się w ramionach chromosomów, które mają sekwencje DNA bogate w AT, co wskazuje, że sekwencja DNA może być niezależnym czynnikiem wiązania kohezyny.
  4. Pierścienie kohezyny, zwłaszcza w pączkujących drożdżach , również znajdują się w regionie otaczającym centromer. Wyjaśnić to mogą dwie hipotezy: obecność powtarzającego się heterochromatycznego DNA w centromerach oraz obecność białek związanych z chromosomem. Na przykład Schizosaccharomyces pombe mają wiele kopii specyficznego heterochromatycznego DNA, którego udział w wiązaniu kohezyjnym został udowodniony. Pączkujące drożdże nie mają powtarzających się sekwencji i dlatego wymagają innego mechanizmu wiązania kohezyjnego. Dowody sugerują, że wiązanie kohezyny z pączkującym regionem centromeru drożdży zależy od związanych z chromosomem białek kinetochoru, które pośredniczą w powiązaniu kohezji z regionami pericentrycznymi (kinetochor jest wzmacniaczem wiązania kohezyny pericentrycznej).

Kohezyna i CTCF

Wiele pętli chromatyny jest tworzonych przez tak zwany mechanizm ekstruzji pętli, kiedy pierścień kohezynowy aktywnie porusza się wzdłuż dwóch podwójnych helis DNA, przemieszczając jedną z nich względem drugiej. W ten sposób pętla może stać się mniejsza lub większa. Proces ekstruzji pętli zatrzymuje się, gdy kohezyna napotyka architektoniczne białko chromatyny CTCF. Miejsce CTCF musi być w odpowiedniej orientacji, aby zatrzymać kohezynę.

Mejoza

Białka kohezyny SMC1β , SMC3 , REC8 i STAG3 wydają się uczestniczyć w kohezji chromatyd siostrzanych w procesie mejotycznym w ludzkich oocytach . Białka SMC1β, REC8 i STAG3 są kohezynami specyficznymi dla mejozy .

Białko STAG3 wydaje się być niezbędne dla kobiecej mejozy. W dużej spokrewnionej rodzinie z przedwczesną niewydolnością jajników zidentyfikowano homozygotyczną mutację przesunięcia ramki odczytu w genie Stag3 . Ponadto samice myszy z niedoborem STAG3 są bezpłodne, a ich oocyty płodowe zatrzymują się we wczesnej profazie 1.

Ewolucja

Struktura i funkcja kohezyny zostały zachowane w ewolucji. Białka SMC znajdują się u prokariontów i zostały zachowane w drodze ewolucji. Cewki SMC1 i SMC3 są konserwowane z rozbieżnością aminokwasów mniejszą niż 0,5%.

Nazwa Saccharomyces cerevisiae Schizosaccharomyces pombe Drosophila Kręgowce
Smc1 Smc1 Psm1 DmSmc1 Smc1
Smc3 Smc3 Psm3 DmSmc3 Smc3
Scc1 Mcd1/Pds3 Rad21 DmRad21 Rad21
Scc3 Scc3 Psc3 DmSA SA1 i SA2

Znaczenie kliniczne

Termin „kohezynopatia” został użyty do opisania stanów wpływających na kompleks kohezyny.

Warunki te obejmują:

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki