Посещений: 
Комплексы структурного поддержания хромосом
SMC complexes: from DNA to chromosomes Frank Uhlmann  Nature Reviews Molecular Cell Biology
V.17, 399–412 (2016)
|
SMC (structural maintenance of chromosomes) complexes - which include condensin, cohesin and the SMC5-SMC6 complex - are major components of chromosomes in all living organisms, from bacteria to humans. These ring-shaped protein machines, which are powered by ATP hydrolysis, topologically encircle DNA. With their ability to hold more than one strand of DNA together, SMC complexes control a plethora of chromosomal activities. Notable among these are chromosome condensation and sister chromatid cohesion. Moreover, SMC complexes have an important role in DNA repair. Recent mechanistic insight into the function and regulation of these universal chromosomal machines enables us to propose molecular models of chromosome structure, dynamics and function, illuminating one of the fundamental entities in biology.
|
Молекулы ДНК, составляющие геном живых организмов обычно значительно длиннее, чем сам организм. В клетках человека приблизительно 4 метра ДНК упаковано в клеточное ядро, имеющего размеры в шкале микрометры. При подготовке к клеточному делению ДНК компактизируется далее, чтобы придать характерную форму митотическим хромосомам. Загадка, как столь много ДНК упаковывается в такую небольшую структуру, внесла вклад в канонический статус хромосом. Хромосомы состоят не только из ДНК, они содержат белки, которые строят их и осуществляют многие функции хромосом по экспрессии генов и поддержанию генома. Главными составляющими хромосом являются SMC (structural maintenance of chromosomes) комплексы. Недавние успехи в их изучении предоставили информацию о молекулярной архитектуре хромосом.
A brief history of SMC complexes
25 лет тому назад впервые было сообщено о необычном, вновь открытом семействе белков, участвующих в расхождении хромосом. Niki, Hiraga с колл.10 выделили мутантов Escherichia coli, которые давали безъядерное ('mukaku' по япон.) потомство с высокой частотой, что привело к открытию mukB, первого гена, кодирующего SMC белок. Белковая последовательность предсказывала существование на N- и С- конце глобулярных АТФазных доменов, разделенных длинным биспиральным участком. Это предсказание было подтверждено с помощью ЭМ MukB белка11. Вскоре после этого клонирование гена 'стабильности минихромосом' из почкующихся дрожжей, названного SMC1, привело к идентификации белка со сходной архитектурой, Smc1 (Ref. 12). Гены, кодирующие белки, подобные Smc1, были найдены в геномах широкого ряда организмов. Мутации в двух родственных генов у делящихся дрожжей, cut3+ и cut14+, вызывали дефекты конденсации и сегрегации хромосом13.
Приблизительно в то же самое время биохимический анализ хромосом позвоночных привел к идентификации сходных белков. Два Xenopus chromosome-associated proteins (XCAPC and XCAPE; также известных как Smc4 и Smc2), как было установлено, образуют комплекс, необходимый для конденсации хромосом в экстрактах яиц14. Выдающийся в 135 kDa хромосомный каркасный белок ScII (также известен как SMC2) кур, , как было установлено, является ортологом XCAPE15. Более того, мутация в гене smc2 почкующихся дрожжей, кодирующего ортолог XCAPE, также вызывала дефекты конденсации хромосом, так что акроним SMC был переименован в 'structural maintenance of chromosomes' (Ref. 16).
Стала ясна роль SMC белков в структуре хромосом помимо поддержания формы и расхождения хромосом. Исследование дозовой компенсации половых хромосом у Caenorhabditis elegans выявило 'dumpy' dpy-27 мутацию в гене, кодирующем SMC белок, которая приводила к неспособности подавлять экспрессию генов с Х хромосомы у эмбрионов гермафродитов XX17. Кроме того, чувствительная к радиации мутация у делящихся дрожжей, первоначально известная как rad18, оказалась членом семейства, которое образует самостоятельную подгруппу SMC белков, теперь обозначаемых как Smc5 и Smc6 (Ref. 18). а
Др. ступень в понимании SMC белков уэукариот наступила, когда они оказались стержневыми участниками трех самостоятельных из многих субъединиц белковых комплексов (Fig. 1). XCAPC и XCAPE (Smc4 и Smc2 почкующихся дрожжей) субъединицы являются частью комплекса condensin из пяти частей 19. Сходным образом, скрининг для идентификации белков, обеспечивающих слипчивость сестринских хроматид, открыл субъединицы cohesin комплекса, включая Smc1 и Smc3 субъединицы 20-23. Субъединицы Smc5 и Smc6 образуют основу из многих субъединиц комплекса репарации ДНК 24. Хотя каждый из трех комплексов важен для жизни эукариот, они имеют частично перекрывающиеся роли. Напр., cohesin принимает также участие в конденсации хромосом 21, 25, 26, а cohesin и condensin участвуют в репарации ДНК 27-30.
Figure 1: Architecture of the cohesin ring.
a | Electron micrograph of recombinant human cohesin tetramer complexes after low-angle Pt/C rotary shadowing. b | Composite model of a nucleotide-bound cohesin tetramer, incorporating available crystal structures from Refs 36, 42, 44, 45; Protein Data Bank (PDB) IDs 1GXL, 1W1W, 4PK7 and 4UX3. The exact location of sister chromatid cohesion protein 3 (SCC3) is speculative. An enlargement of the SMC (structural maintenance of chromosomes) head complex is shown, illustrating bound ATP and the path that the kleisin SCC1 takes. Approximately 20 kDa of SCC1, containing the two separase cleavage sites, is missing from the model, indicated by a dashed line. c | Overview of eukaryotic SMC complexes and their subunits. The names are those used in budding yeast; differing names in fission yeast and vertebrates are given in parentheses. Brn1, barren homologue 1; Mms21, methyl methanesulfonate sensitivity; Nse, non-SMC element; Wapl, Wings apart-like protein homologue; Ycg1, yeast cap G 1; Ycs4, yeast condensin subunit 4. *The row fronted by Smc1 contains SMC subunits that interact with the kleisin carboxyl terminus; the row fronted by Smc3 lists those that engage with the kleisin amino terminus. ‡Indicates subunits of a distinct condensin II complex. §SA1 or SA2 and PDS5A or PDS5B are found in various cohesin isoforms. ||Sororin has only been found as part of metazoan cohesin. The image in part a is courtesy of Pim Huis in 't Veld and Jan-Michael Peters, Research Institute of Molecular Pathology (IMP), Vienna, Austria, and is modified from Ref. 41. Reprinted with permission from AAAS. Images in part b are courtesy of Martin Singleton, The Francis Crick Institute, London, UK.
Открытие, что cohesin комплекс обеспечивает слипчивость сестринских хроматид, подтвердило критическую роль SMC комплексов в сегрегации хромосом эукариот. Сестринские хроматиды, которые возникают во время репликации ДНК в S фазе клеточного цикла удерживаются вместе с помощью cohesin вплоть до начала митоза 31. Это делает возможным попарное распознавание парами сестринских хроматид и их расположение в ответ на двуполюсное натяжение митотического веретена. Субъединица sister chromatid cohesion 1 (Scc1) из cohesin затем протеолитически отделяется, чтобы отсоединить cohesin от хромосом и запустить анафазу 32-34. Это, вместе с их дополнительными ролями в хромосомах на всех стадиях клеточного цикала, делает SMC комплексы важными игроками в биологии.
Architecture of SMC complexes
SMC комплексы характеризуются их четко выраженной кольцевой формой35, 36 (Fig. 1a). Кольцевая окружность создается длинными биспиральными участками двух SMC субъединиц, которые являются гибкими благодаря своей двуспиральной непрерывности. Биспиральные сегменты соединены на одном конце с помощью стабильной димеризации раздела, известного как 'hinge' (Ref. 36). На др. конце расположены АТФ-связывающие кассеты (ABC) для семейства с ATPase доменами. Они димеризуются в присутствии АТФ, и располагаются в промежутке между двумя головками37, 38. Головки удерживаются вместе благодаря зависимой от АТФ димеризации с помощью kleisin субъединицы36, 39-41. В то время как SMC димер в основном симметричен, kleisin создает асимметричные контакты с SMC головками, , по крайней мере, в случае cohesin и бактериальных SMC комплексов, которые тщательно исследованы. N конец kleisin образует спиральный пучок с биспиральной проксимальной частью одного из SMC головного домена; его C конец прикрепляется к основанию противоположной головки42-44 (Fig. 1b). Дополнительные субъединицы, которые известны или предсказываются как состоящие из α-suprahelical HEAT повторов, собираются вокруг kleisin36, 39, 40, 45, взаимодействия тех же самых субъединиц с HEAT повторами были выявлены в SMC шарнире (hinge)41, 46, 47.
Кольцевая форма cohesin комплекса привела к предположению, что она связывается с ДНК образуя топологическое объятие 36, 48. Эта модель становится ведущим принципом для изучения функций SMC комплексов. Получены неотразимые доказательства, что cohesin топологически обнимает минихромосомы in vivo и что зависимая от АТФ гидролиза загрузка на ДНК in vitro является топологической по природе 49, 50. Сходным образом, condensin и Smc5-Smc6 комплекс являются топологически связанными с минихромосомами in vivo, тогда как бактериальные SMC комплекс топологически обнимают циркулярные бактериальные хромосомы 51-53. Топологические ловушки, как полагают, являются критическими для функционирования SMC комплексов. Неповрежденная кольцевая структура cohesin является обязательным условием для удержания сестринских хроматид вместе, тогда как расщепление Scc1 в анафазе открывает кольцо 33, 49-56. Сходным образом, топологическая исправность condensin необходима для его важной функии сегрегации хромосом у почкующихся дрожжей 51. Топологическое соединение с ДНК предлагает замечательный объясняющий потенциал того, как SMC комплексы работают на хромосомах. Это не исключает возможности, что они обладают функциями, дополняющими топологические объятия.
DNA entry into and exit out of SMC rings
SMC комплексы находятся в динамическом контакте с хромосомами, подвергаются повторным циклам связываний и диссоциаций25, 57-61. Возможными исключениями являются то, что молекулы cohesin удерживают сестринские хроматиды вместе после репликации ДНК, которые, по-видимому, прочно стабилизированы на ДНК. В любом случае, если SMC комплексы функционируют с помощью топологического связывания с ДНК, то как ДНК проникает в кольцо и выходит из него?
Белковый инженеринг был использован, чтобы охотиться на интерфейсы индивидуальных cohesin субъединиц in vivo, чтобы идентифицировать путь, посредством которого ДНК проникает и выходит из когезинового кольца62, 63. Ковалентные связи любого конца kleisin с Smc1 или Smc3, или сцепление одного конца и прикрепление химически индуцибельного интерфейса димеризации с другим, не предупреждают загрузку cohesin на хромосомы. Напротив, химические поперечные связи домена инсерций на SMC шарнире не препятствуют загрузке cohesin. Это указывает на то, что ДНК д. проникать в когезиновое кольцо через шарнир. В свою очередь закрытие на замок интерфейса Smc3-kleisin стабилизирует cohesin на хромосомах, делая этот интерфейс кандидатом на роль ворот выхода ДНК60, 63. Недостаток этих экспериментов в том, что поперечные связи и домен инсерций могут препятствовать функции cohesin способом, дополнительным по отношению к намеченному закрытию интерфейса и что эта лигандом индуцированная димеризация всё ещё разрешает диссоциацию с относительно высокой скоростью выхода (off-rate).
Реконструкция in vitro топологической загрузки cohesin на ДНК с использование когезинового комплекса делящихся дрожжей привело к иной модели проникновения и выхода ДНК 47, 50 (Fig. 2), вкоторой и загрузка и последующее высвобождение осуществляются одинаковым способом. Обеим реакциям способствует гидролиз АТФ, заставляя подозревать, что высвобождение ATPase головки является частью как вступления. так и выхода ДНК. Высвобождения головки, однако, недостаточно для транспорта ДНК в или из кольца, т.к. взаимодействие головки усилено с помощью kleisin. Вторая ступень при вступлении и выходе ДНК из кольца обеспечивается с помощью cohesin субъединицы Wapl (Wings apart-like protein homologue), которая отделяет N конец kleisin от SMC3 (известен также как Psm3 у делящихся дрожжей), тем самым открываются kleisin ворота 41, 47, 60, 63. Важно, что Wapl отделяет kleisin N конец от Psm3 только когда связан АТФ и, следовательно, когда происходит взаимодействие головок. Это подтверждает, что ДНК проходит через двое последовательо запирающихся ворот при вступлении и выходе из кольца.
Figure 2: Model for DNA entry into and exit out of the cohesin ring.
a | DNA entry into the cohesin ring might involve folding of the cohesin ring, such as to facilitate DNA contact with the two Lys residues (denoted 'K') exposed on the structural maintenance of chromosomes protein 3 (Smc3) head. DNA contact triggers ATP hydrolysis, which allows DNA to pass through a gap between the ATPase heads. The ATPase heads re-engage by binding to ATP, before Wapl (Wings apart-like protein homologue) stimulates disengagement of the sister chromatid cohesion protein 1 (Scc1) amino terminus from Smc3 to complete DNA entry into the cohesin ring. b | Ring folding is not required for DNA exit, as the DNA-sensory Lys residues are readily accessible from inside the ring. A similar sequence of events as in part a leads DNA on the same trajectory through the interlocking ATPase head and Scc1-Smc3 gates out of the ring.
Прохождение ДНК в обоих направлениях кроме того нуждается в восприятии ДНК Lys остатков на Psm3 головке, это запускает гидролиз АТФ47. Эти остатки Lys указывают направление в когезиновое кольцо, затем позиционируя его аккуратно, чтобы инициировать выход ДНК (Fig. 2b). Кристаллическая структура ДНК, связанной с соотв. ATPase головками Rad50 белком репарации ДНК, показывает как этот инициальный контакт во время выхода ДНК может происходить64. Менее очевидно, как те же самые остатки Lys способствуют проникновению ДНК. ДНК является довольно жесткой и спонтанно не сгибается достаточно сильно, чтобы достичь ДНК сенсора извне. Скорее гибкое когезиновое кольцо будет складываться 'inside-out', чтобы с делать доступными остатки Lys. Имеются доказательства, что такие конформационные изменения облегчаются с помощью комплекса загрузки cohesin, отдельного белкового комплекса, облегчающего загрузку cohesin, состоящего из субъединиц Scc2 и Scc4s (Mis4 и Ssl3 у делящихся дрожжей)28, 65, 66. Этот комплекс обеспечивает множественные контакты с cohesin вдоль окружности кольца, это облегчает его конформационные изменения50. Как только ДНК привлекает сенсор на уложенное когезиновое кольцо извне, то та же самая траектория через последовательные ATPase и kleisin ворота приводит к проникновению ДНК. Отметим, что эта модель также объясняет более ранние наблюдения. also explains observations from the earlier protein engineering approach. Герметизация kleisin интерфейсов не мешает топологическому проникновению ДНК через ATPase ворота, хотя она мешает выходу ДНК.
Вступление и выход ДНК из др. SMC комплексов могут использовать очень сходные реакции. Складчатая конформация способствует вступлению ДНК, как это наблюдалось у делящихся дрожжей для cohesin SMC димеров и condensin комплексов 67, 68. Близость между субъединицами, ассоциированными с когезиновыми головками и SMC шарниром выявлена с помощью fluorescence resonance energy transfer (FRET) у живых почкующихся дрожжей 69, тогда как non-SMC element 5 (Nse5) и Nse6 субъединицы из Smc5-Smc6 комплекса, как было установлено, связывают и головки и шарнир 39, 46. Та же самая модель может использоваться и прокариотическими SMC комплексами (Box 1). Важным свойством этой модели является то, что ДНК, пойманная в ловушку SMC кольца, не препятствует вступлению второй ДНК. В самом деле, механизм взаимной блокировки ворот гарантирует, что ДНК не будет потеряна, т.к. делает возможным вступление второй молекулы. Важность понимания того, как SMC комплексы соединяют более одной молекулы ДНК подтолкнула к исследованиям in vitro ДНК сцеплений 49, 52, 70, 71.
|
Box 1: Prokaryotic SMC complexes
SMC (structural maintenance of chromosomes) complexes are found in all kingdoms of life, suggesting that they represent a universal means by which living organisms shape their genomes. The length of bacterial genomes, as in eukaryotes, far exceeds the dimension of the organism. In Escherichia coli, a circular ring chromosome of 1.2 mm in circumference is stored within the space of a few micrometres. Bacterial SMC complexes have a similar overall architecture to their eukaryotic counterparts43, 197. They compact bacterial chromosomes and facilitate the resolution of sister chromosomes before cell division, bringing them functionally close to eukaryotic condensin. At the same time, bacterial SMC complexes have structural similarity with the eukaryotic Smc5-Smc6 complex186, suggesting that the functionality of an ancestral SMC complex might have been retained in prokaryotic SMC complexes but distributed among the eukaryotic complexes as they arose through gene duplications.
Up to three distinct SMC complexes are found in individual bacterial species, the SMC-ScpA-ScpB, MukBEF and MksBEF complexes198. These three complexes seem to be structurally related and, at least on the basis of initial observations, they seem to perform redundant functions in chromosome segregation. Additional possible roles in areas such as bacterial DNA repair or transcriptional regulation remain to be explored. Notably, the coiled-coils of MksB complexes are distinctly shorter than those of MukB or eukaryotic SMC proteins. Thus, despite the striking conservation of the coiled-coil lengths among most SMC complexes, their fundamental function may not depend on this length. There is still a lot to learn from prokaryotic SMC complexes. |
SMC complex binding to chromosomes in vivo
Информация о том, как SMC комплексы выполняют свои функции вдоль хромосом in vivo получена при анализе паттернов геномных соединений.
Места загрузки вдоль хромосом. Все изученные SMC комплексы концентрируются вокруг центромер, а также в отдельных местах вдоль плеч хромосом72-75. Концентрация cohesin около центромер служит средством для двунаправленной ориентации пар сестринских хроматид и необходимо для их противодействия тянущим силам митотического веретена76. Обогащение condensin, в свою очередь, обеспечивает физическую стабильность центромерного хроматина, в котором расположены места для прикрепления микротрубочек для митоза77, 78. Что заставляет одиночные центромеры создавать такие важные места для загрузки SMC комплексов? У почкующихся дрожжей, внутренней кинетохоры COMA комплекс и Cdc7-Dbf4 киназа вносят вклад в концентрацию центромерного когезина79, 80, возможно за счет непосредственного или косвенного рекрутирования Scc2-Scc4 загрузчика cohesin. Однако, как это усиливает загрузку cohesin в этом локусе по сравнению с др. местами вдоль хромосом, и те же ли самые факторы облегчают загрузку condensin и Smc5-Smc6 комплекса, предстоит выяснить. Обогащению condensin на центромерах почкующихся дрожжей ещё больше содействует защитник центромер shugoshin, хотя и посредством пока не выясненного механизма81, 82.
Вдоль хромосомных плеч загрузка когезина и конденсина происходит на промоторах часто высоко экспрессирующихся генов, включая рибосомных белков и tRNA гены 73, 83-87 (Fig. 3). Что определяет эти места загрузки на промоторы пока неясно. Корреляции с транскрипционными факторами описаны, но в большинстве случаев, причинные связи неизвестны. У почкующихся дрожжей, RSC (remodels the structure of chromatin) комплекс является орудием для привлечения Scc2-Scc4 комплекса. Рекрутирование осуществляется, по-видимому, посредством Scc4 субъединицы, которая обеспечивает связывание с хроматином Scc2-Scc4 комплекса, но она несущественна для загрузки cohesin на голую ДНК in vitro 50, 88, 89. Scc4 также осуществляет контакты с Cdc7-Dbf4 киназным комплексом в экстрактах Xenopus laevis, в которых (в отсутствие транскрипции) происходит загрузка cohesinна пре-репликативные комплексы 90. Субъединица Scc4 должна т.о., рассматриваться как хроматиновый адаптор из загрузчика cohesin, тогда как субъединица Scc2 контактирует с cohesin, чтобы обеспечить загрузку. Разные изоформы cohesin существуют у позвоночных, сюда входят и два паралога SCC3 субъединицы (SA1 или SA2), а также сестринских хроматид когезии белок PDS5 homologue A (PDS5A) или PDS5B. В то время как SA1-содержащий cohesin обогащен вокруг теломер, SA2-содержащий cohesin наиболее выражен вокруг центромер 91, 92. PDS5B-содержащий cohesin также выполняет специфичную для центросом роль 93. Механизм дифференциальной локализации этих отличающихся cohesin комплексов пока неясен.
Figure 3: SMC complex loading on to chromosomes in vivo.
a | Schematic of an open promoter of an active gene where SMC (structural maintenance of chromosomes) complexes are loaded on to chromosomes. The RSC (remodels the structure of chromatin) complex evicts nucleosomes and recruits the sister chromatid cohesion protein 2 (Scc2)-Scc4 cohesin loader that directly interacts with the cohesin complex. Condensin may make use of the same open promoters by interacting with transcription factors. b | Translocation of SMC complexes along chromosomes following loading. Cohesin slides away from its loading sites, while apparently maintaining topological contact with chromatin, to accumulate in regions of convergent transcriptional termination. Condensin also has a tendency to relocate but typically does not make it much further than the next closest transcription termination site, possibly owing to its shorter residence time on chromosomes.
Сайты загрузки condensin, по большей части, те же самые, что и для cohesin у почкующихся, делящихся дрожжей и C. elegans73, 85, 94. Выявлено отсутствие прямого взаимодействия белков между загрузчиками condensin и cohesin, последний облегчает загрузку condensin у почкующихся дрожжей. Это возможно благодаря роли Scc2-Scc4 комплекса в поддержании свободного от нуклеосом региона на этих промоторах86 (Fig. 3a). Взаимодействия condensin с комплексом транскрипционных факторов TFIIIC и monopolin комплексом могут нацеливать condensin почкующихся дрожжей на tRNA гены и рибосомную ДНК (rDNA), соотв.95, 96. Взаимодействие конденсина делящихся дрожжей с TFIIIC и TATA-box binding protein (TBP), в свою очередь, вносит вклад в загрузку condensin у этого организма97, 98. Condensin I комплексы кур и человека найдены на промоторах сильно экспрессирующихся генов99, 100. Как condensin поставляется на эти промоторы, особенно, когда транскрипция выключена во время митоза, и как возникают самостоятельные паттерны для двух комплексов, condensin I and II, у позвоночных101, предстоит выяснить. Открытые промоторы могут отражать потребность в свободной ДНК в качестве матрицы для загрузки SMC комплекса. Участвуют ли RSC комплекс или др. ремодельеры хроматина, которые изгоняют с промоторов нуклеосомы, в спецификации мест загрузки cohesin и condensin в организмах, иных чем почкующиеся дрожжи, предстоит исследовать. Ясно, что связывание SMC комплексов с генами рибосомальных белков и генами tRNA происходит у бактерий75, подтверждая, что фундаментальный законсервированный механизм определяет места загрузки SMC комплексов.
Транслокация SMC комплекса после загрузки. После загрузки на стержень центромер и промоторы генов, почкующиеся дрожжи, по-видимому, транслоцируют cohesin с сайтов загрузки и доставляют на более постоянные места расположения сайтов конвергентного окончания транскрипции38, 83 (Fig. 3b). Интерпретация, что cohesin скользит вдоль хроматина, поскольку сохраняет топологический контакт, была подтверждена наблюдением скольжения промежуточных образований вдоль гена после активации его транскрипции (M. Ocampo-Hafalla and F. Uhlmann, unpublished observations). Когезин делящихся дрожжей обнаруживает распределение, согласующееся с этим сценарием, при этом некоторые когезины обнаруживаются в местах загрузчиков когезина, а большинство в местах конвергентных терминаторов транскрипции94. Ситуация варьирует у Drosophila melanogaster, у которых cohesin и его загрузчик обнаруживаются на промоторах активных генов и вдоль длины транскрибируемых генов102. Возможно, что загрузчик и когезин остаются более тесно связанными у мух, чем у дрожжей, во время загрузки и последующей транслокации.
В клетках человека наиболее заметное накопление cohesin совпадает с местами транскрипционного регулятора CTCF и отличается от его вероятных мест загрузки2, 3, 84. Действительно ли и как человеческий cohesin перемещается с промоторов на CTCF-связывающие сайты, неизвестно. RNA polymerase II, которая возможно является движущей силой для транслокации cohesin, обычно перемещается со скоростью в несколько kilobases в мин.103. Учитывая длину генов человека и среднее время пребывания cohesin на хромосомах58, большинство когезинов может оказаться неспособным достичь конца генов человека. Ацетилированный cohesin, который более продолжительно пребывает на хромосомах (see below), как было установлено, накапливается на 3' конце короткого гена104, подтверждая, что cohesin человека также скользит вдоль транскрибируемых генов.
Condensin сходным образом, по-видимому, транслоцируется с мест загрузки в направлении транскрипции73, 98. Его бимодальное распределение, как выяснило недавнее высоко разрешающее картирование конденсина у делящихся дрожжей, на сайтах загрузки на промоторы и на 3' концах экспрессируемых генов, согласуется с этой возможностью100, 105. Быстрые диссоциация и скорость перезагрузки могут означать, что condensin не всегда достигает концов генов и остается обнаружимым как в местах его загрузки, так и вдоль единиц транскрипции.
Распределение у почкующихся и делящихся дрожжей комплекса Smc5-Smc6 отражает то, что механизмы загрузки и распределения cohesin 74, 106, могут быть одинаковыми для всех SMC комплексов. Комплекс Smc5-Smc6 кроме того обладает уникальными свойствами. У почкующихся дрожжей он загружается на ДНК приблизительно во время репликации ДНК и его загрузка количественно соответствует изменениям в длине и топологии хромосом. Это делает молекулярные детерминанты для Smc5-Smc6 комплекса загрузки важной целью для дальнейших исследований. Итак, топологическая загрузка и способность к перемещению вдоль хромосом, по-видимому, одинаковы для SMC комплексов. Это позволяет SMC кольцам стабильно обнимать ДНК и осуществлять критически структурные функции, не вмешиваясь в активности хромосом, которые могут возникать вдоль тех же самых последовательностей.
Condensin in compaction and resolution
Может ли топологическое отлавливание волокон ДНК и потенциально последовательное залавливание более чем одной ДНК объяснить известную роль SMC комплексов? Когезиновые комплексы, как было установлено, способствуют физической интеграции между близлежащими сайтами связывания107, 108, т.о., это служит примером способности SMC белков поперечно связывать ДНК. Образование в ядрах condensin-связывающих сайтов, скорее всего, зависит от конденсина, подтверждая, что конденсин также функционирует, поперечно связывая ДНК73, 95, 109. Инактивация конденсина у организмов от бактерий до клеток человека приводит к двум четким фенотипическим отклонениям, неспособности к компактизации хромосом и неспособности разделения сестринских хроматид во время анафазы, приводя к образованию мостиков между хромосомами.
Компакция хромосом. Классическая из учебников модель конденсации хромосом указывает на иерархическое сворачивание в спираль, сначала ДНК вокруг нуклеосом, затем нуклеосом в волокна более высого порядка, чтобы формировать петли, которые в конечном итоге и делают хромосому. Condensin в этих моделях формирует белковый каркас хромосом, который закрепляет пели ДНК, но молекулярное объяснение того, как конденсин образует каркас, остается неясным. Более того, биофизические и ультраструктурные подходы к архитектуре хромосом не обнаруживают каркасных или повторяющихся структур крупнее, чем 10 nm нуклеосомные волокна. Они также не получили доказательств для популярной идеи, что нуклеосомы организованы в 30 nm волокна 110-113. Вместо этого, конденсин, как было установлено на поперечных срезах, появляется в 10 nm волокнах 111. Это привело к альтернативному предположению, что конденсин форматирует хромосомы, действуя как случайные поперечный связыватель между свободно диффундирующими 10 nm волокнами хроматина 51, 114. С самого начала симуляции динамика Броуновского движения нуклеосомных волокон почкующихся дрожжей побуждалась стохастическими парными взаимодействиями между конденсин-связывающими сайтами, генерирующих in silico поведение хромосом, которое сильно согласуется с in vivo свойствами хромосом почкующихся дрожжей 115 (Fig. 4a,b). Хотя они без сомнения являются через чур упрощенными множественными взаимодействиями, которые происходят между разными составляющими хромосом, моделирование показывает, что простые предположения могут длительно следовать по пути, объясняющему поведение хромосом, то ни дают нам квази-молекулярный намек на то, что внутри хромосомы могут выглядеть подобным образом. Было бы интересно посмотреть, действительно ли значительно более крупные хромосомы могут быть поняты с помощью сравнительно простых моделей и какие дополнительные организационные принципы необходимы, чтобы сделать человеческие хромосомы подходящей формы. Важным на этом пути является реконструкция сборки хромосом позвоночных из очищенных компонентов 116. Это показало, что конденсин совместно с гистоновыми шаперонами и с активностью, проходящей по нити ДНК, обеспечиваемой с помощью topoisomerase II, достаточны для сборки хромосом, которые по виду сходны с теми, что образуются хроматина спермиев в X. laevis яйцевых экстрактах.
Figure 4: Condensin in chromosome condensation.
a | Molecular model of a 300 kb nucleosome fibre, shaped by stochastic pairwise interactions between condensin-binding sites (red spheres), equivalent in size to a budding yeast chromosome arm. Two loci whose distance was recorded over time are indicated in green and pink, as a measure to compare the model to in vivo chromosome behaviour. b | Schematic representation of a chromatin chain, constrained by stochastic pairwise contacts between condensin-binding sites. c | An alternative model for condensin action proposes that condensin extrudes DNA loops to compact chromosomes. Part a is adapted from Ref. 115.
Имеется альтернатива, не обязательно взаимоисключающая, механизмов того, как конденсин образует форму хромосом. Связывание конденсина с ДНК in vitro внесло позитивные изменения формы (writhe) - т.е., скручивание ДНК - которое может компактизировать петли ДНК даже на расстоянии117, 118. Эта модель торсионного скручивания генома пи компакции нуждается в изобилии топоизомераз, которые предназначены для быстрого освобождения от скручивания, должны препятствовать делать это. Неизвестно, возможно ли это.
Др. модель, которая приобретает популярность, заключается в 'loop extrusion' (Refs 48, 119, 120). В этой модели петля ДНК переплетена конденсином и затем продвигается через кольцо, так , что петля простирается и последовательности от противоположных направлений конвергируют (Fig. 4c). Хотя нет молекулярного механизма, с помощью которого конденсин мог бы протаскивать ДНК, эта модель находит подтверждение благодаря симметричным контактам ДНК, которые простираются от главного сайта загрузки конденсина вдоль бактериальных хромосомных плеч121, 122. Однако, выталкивание петель не единственный путь, объясняющий такие симметричные контакты, т.к. они могут возникать также в результате спорадических столкновений между параллельными плечами хромосом. Паттерн конденсина вдоль хромосом делящихся дрожжей обнаруживает однонаправленное распространение от мест загрузок98, это не подтверждает механизм двунаправленной подкачки. Вместо этого характер распространения совместим с исправленной моделью 'loop expansion', согласно которой петли первоначально формируются, когда конденсин последовательно обнимает два из его сайтов связывания. Вследствие этого транскрипцией управляемое скольжение конденсина д. приводить к экспансии петли, в зависимости от ориентации гена. Очевидно, что ассоциация с хромосомой человеческого condensin II комплекса становится очень стабильной в митозе57, это д. разрешать процессивную экспансию петель. Однако, транскрипция в основном прекращается, как только клетки вступают в митоз и происходит конденсация хромосом во время раннего развития в отсутствие транскрипции. Вносит ли вклад транскрипцией обеспечиваемая экспансия петель в конденсацию хромосом или в архитектуру итерфазного хромосомного домена113 является интересной задачей для будущих исследований.
Видимое преимущество конденсации хромосом с помощью внутримолекулярного выталкивания петель заключается в гарантии, что конденсин компактизирует одну хромосому в данный момент скорее, чем используется в бесполезных контактах между соседними хромосомами. Случайные парные взаимодействия между condensin-связывающими сайтами, напротив, не могут отличать внутримолекулярные от межмолекулярных взаимодействий. Конденсин, в самом деле, по-видимому, привлекается к межмолекулярным взаимодействиям с определенной частотой95, 109. Однако, даже случайные парные взаимодействия всегда действуют в пользу внутримолекулярных контактов вдоль непрерывной нити ДНК, в противовес межхромосомным взаимодействиям при независимо перемещающихся молекулах. Это приводит к индивидуализации хромосом во время компакции, до тех пор, пока конденсином обусловленные взаимодействия остаются динамичными во время процесса конденсации, так что любые межхромосомные контакты остаются временными и устраняются115, 123.
Chromosome resolution. Вторым столь же поразительным фенотипическим отклонением митотических клеток с дефектами конденсина, являются межхромосомные мостики, которые обусловлены неспособностью сестринских хроматид разъединиться во время анафазы 13, 16, 124, 125. Эти анафазные мостики, по-видимому, возникают из-за сохранения сцепления сестринских хроматид 126-128. Во время окончания репликации ДНК сестринские хроматиды обязательно остаются сцепленными из-за неспособности топоизомераз полностью раскручивать ДНК между двумя репликационными вилками, т.к. они конвергируют одна с др. 129. Мало известно о том, где и как сохраняется длинное сцепление вдоль хромосом после завершения репликации. Используя циркулярные микрохромосомы в качестве модели, стало очевидным, что большая часть сцепления быстро устраняется после репликации ДНК, тогда как субнабор топологических связей сохраняется и зависит от конденсина, чтобы мог устраниться 128. Индивидуализация хромосомных плеч во время компакции может предоставить направленность процессу устранения сцепления 123. Однако, это не может полностью объяснить роль конденсина у устранении остатков сцепления. Потребность в конденсине для сегрегации у почкующихся дрожжей rDNA может быть преодолена за счет экспрессии чужеродного энзима topoisomerase II, но не за счет избыточной экспрессии эндогенной topoisomerase II почкующихся дрожжей 126, подтверждая строгую зависимость эндогенной topoisomerase II от конденсина. Прямое физическое взаимодействие бактериальной устраняющей сцепление topoisomerase IV с бактериальным SMC комплексом было описано, это может помочь объяснить кооперацию между двумя энзимами 130, 131.Однако, не обнаружено сходного прямого взаимодействия у эукариот 128, 132, поэтому вопрос остается открытым, как конденсин способствует разделению хромосом.
Cohesin and cohesion establishment
Во время G1 фазы хромосомный когезин человека функционирует сходным образом с конденсином, вовлекаемый во взаимодействия между соседними сайтами связывания107, 108. Его ассоциация с хромосомами динамична, при этом субъединица Wapl запускает повторяющиеся циклы разгрузки и перезагрузки комплекса. В отсутствие Wapl скорость оборота когезина на хромосомах падает, а конденсин-подобное поведение когезина умножается, приводя к цитологическому появлению червеобразных хромосом, дублирующих 'вермишель' (Refs 26, 133). То что когезин вносит вклад в компакцию хромосом во время митозов, тонко регулируемый с помощью Wapl, также известно у Saccharomyces cerevisiae21, 25, 134.
Что же отличает когезин от конденсина - это уникальная способность устанавливать прочное слипание сестринских хроматид во время S фазы. Для этого необходимо ацетилирование двух ощущающих ДНК остатков Lys на Smc3 ATPase головке, с помощью ассоциированной с репликационной вилкой Eco1 (establishment of cohesion 1) acetyltransferase135-142. После загрузки на ДНК когезиновая ATPase остается активной143, она обычно завершает динамический цикл связывания и диссоциации ДНК47. Ацетилирование замыкает когезиновое кольцо, предупреждая ДНК от запуска гидролиза АТФ. Это составляет разумное объяснение того, как связывание когезина с ДНК стабилизируется во время репликации ДНК и осуществляет прочное сцепление сестринских хроматид. Конечно, узнавание ДНК Lys остатков точно также необходимо для вступления ДНК, это означает, что ацетилирование Smc3 д. происходить под строгим временным и пространственным контролем. Оно д. ожидать завершения зависимой от гидролиза всех АТФ реакции вступления ДНК, которое необходимо для завлекания в ловушку обеих сестринских хроматид, но д. происходить столь быстро, как это возможно, перед тем как одна из сестринских хроматид получит шанс выхода из кольца.
Можо предвидеть два не исключающих др. др. способа удержания вместе две сестринские нити ДНК в одном когезиновом кольце. Одна возможность заключается в том, что репликационная вилка проходит через когезиновые кольца. Это был бы эффективный способ залавливания продуктов репликации. В этом случае ацетилирование в любое время перед или во время прохождения вилки д. приводить к сцеплению, при этом нет нужды в реакции повторного вхождения ДНК во время становления слипчивости (Fig. 5a). Тот факт, что установление когезина не чувствительно к мутациям в когезиновой ATPase, которые замедляют вступление ДНК, и загрузчик когезина Scc2-Scc4 не является более существенным во время репликации ДНК 135, согласуется с этой возможностью.
Figure 5: Cohesin in sister chromatid cohesion and DNA repair.
A | Two models have been proposed for the establishment of sister chromatid cohesion during DNA replication. Aa | Replisome passage through the cohesin ring is an efficient way to co-entrap sister chromatids. If the replication fork traverses through the cohesin ring, acetylation (Ac) at any time before or around the time of DNA replication would ensure stable sister chromatid cohesion. Ab | Cohesin reloading in the wake of the fork means that cohesin loads on to DNA and co-entraps sister chromatids, as they lie close to each other just behind the replication fork. In this case, acetylation must occur following cohesin loading on to both sister chromatids. B | SMC (structural maintenance of chromosomes) complexes function as DNA crosslinkers during DNA break repair. Ba | Cohesin accumulation at a double-strand DNA break might bring sister chromatids into proximity to facilitate repair by homologous recombination, or it might bridge the two broken ends to promote their repair. The two scenarios are not mutually exclusive. Bb | Condensin recruitment to stalled replication forks might stabilize a stalled replication fork to secure its integrity to facilitate restart. Eco1, establishment of cohesion 1; Wapl, Wings apart-like protein homologue.
Напротив, если репликационная вилка неспособна проходить через когезиновое кольцо, тогда устанавливается конденсин-подобная тенденция у когезина, чтобы устанавливать связи между соседними молекулами ДНК. В самом деле, конденсин почкующихся дрожжей обеспечивает взаимодействия между сестринскими хроматидами144, но они, по-видимому, остаются динамичными и поэтому не могут обеспечивать стабильное сцепление. Сестринские хроматиды находятся близко др. к др., когда они возникают на репликационной вилке, предоставляя прекрасную возможность для когезина (или конденсина) захватывать их (Fig. 5a). В этом случае критическим является то, что ацетилирование когезина происходит в то время, когда обе сестринские нити проникают в когезиновое кольцо, так что пара продуктов репликации оказывается заключена внутри. Наблюдение, что ацетилирование SMC3 человека с помощью ESCO1 связано с гидролизом АТФ, может быть частью механизма, обеспечивающего это145. Согласно этому сценарию, когезин д. выступать как запирающий конденсин, который обеспечивает сцепление сестринских хроматид с помощью случайного совместного заключения продуктов репликации позади репликационной вилки.
Вероятность, что оба сценария вносят вклад в становление слипчивости, подтверждается анализом двух паралогов Eco1 человека, ESCO1 и ESCO2. Оба энзима вносят вклад в сцепление сестринских хроматид на одинаковых условиях146, 147. ESCO1 непосредственно взаимодействует с cohesin в ходе клеточного цикла и ацетилирует cohesin на стадии G1, независимо от репликации ДНК. Если когезин человека ацетилирован, то больше не принимает новые нити ДНК, поэтому единственный путь для G1-ацетилированного когезина вносить вклад в сцепление сестринских хроматид является момент прохождения репликационной вилки через кольцо. ESCO2, однако, взаимодействует с репликационным белком proliferating cell nuclear antigen (PCNA), чтобы обеспечивать сцепление сестринских хроматид148, 149, это согласуется со способом действия непосредственно позади репликационной вилки. У почкующихся дрожжей даже сильная избыточная экспрессия Eco1 не может усилить ацетилирование когезина, который остается тесно связанным с прогрессией репликационной вилки137, 150. Механизмы, лежащие в основе пространственно-временного контроля ацетилирования когезина, нуждаются в дальнейшем изучении.
Модель, в которой ацетилирование Smc3 у почкующихся дрожжей происходит только во время репликации ДНК, противоречит ситуации , в которой становление слипчивости становится возможным после S фазы. В ответ на повреждения ДНК, растворимый когезин в G2/M клетках устанавливает сцепление новых сестринских хроматид путем усиления существующих связей151, 152. Избыточная экспрессия Eco1 или разрушение Cdk phosphodegron на Eco1, который снижает уровни Eco1 на ст. G2/M153, также являются достаточными, чтобы сделать возможной становление дополнительных сцеплений в это врея. Как путь реакции на повреждения ДНК вносит вклад в становление слипчивости и участвуют ли др. субъединицы cohesin, иные чем Smc3 - может быть Scc1 (Ref. 154) - являющийся акцептором ацетилирования в этих условиях, являются важными вопросами, ждущими решения.
У позвоночных ацетилирование SMC3 во время S фазы приводит к рекрутированию дополнительных важных компонентов когезиновых комплексов, sororin, который конкурирует с WAPL связывание с PDS5. Ацетилирование SMC3 необходимо за рекрутирование sororin, но не достаточно и не привлекает sororin, если он возникает вне S фазы155, 156. Молекулярную природу места прикрепления sororin, приобретаемое во время S фазы, важно охарактеризовать в будущем. Одна из возможностей заключается в том, что в контексте replisome, ESCO2 ацетилирует когезивные остатки помимо двух ощущающих ДНК остатков Lys.
Др. головоломка, возникающая у позвоночных, связана с удалением когезина с хромосом, когда клетки вступают с митоз. Это известно как 'prophase pathway', существенная пропорция когезина удаляется с хромосом перед анафазой 157. Для этого не нужно расщепление с помощью separase, но ему способствуют митотические киназы, которые фосфорилируют sororin, чтобы дестабилизировать его взаимодействие с когезином, это, в свою очередь, позволяет WAPL способствовать удалению cohesin 133, 158, 159. Профазное удаление когезина является важным для успешного прохождения митоза, т .к. клетки, лишенные WAPL, обнаруживают нарушения расхождения хромосом, возможно из-за того, что раннее удаление когезина облегчает устранение сцепления ДНК 26, 160, 161. Было предположено, что когезин устраняется с хромосом с помощью профазного пути в его ацетилированном состоянии 104. Это указывает на то, ацетилирование недостаточно, чтобы стабилизировать когезин на ДНК в клетках человека. Т.к. продолжительность клеточного цикла в клетках человека на порядок величин длиннее, чем у почкующихся дрожжей, поэтому возможно, что как ворота ATPase головки, которые закрываются при ацетилировании, так и ворота SMC3-kleisin, которые находятся под контролем sororin, д. оставаться замкнутыми, чтобы обезопасить когезин на хромосомах. В ходе профазы sororin на центромерах защищен от митотических киназ с помощью shugoshin-PP2A phosphatase комплекса 158, 159, тем самым сохраняется сцепление сестринских хроматид в этом регионе вплоть до того, пока не будет активирована separase, чтобы отщеплять когезин и запускать анафазу.
Additional cohesion establishment factors
Помимо Eco1 acetyltransferase, др. ассоциированные с репликативной вилкой белки вносят вклад в становление слипчивости сестринских хроматид. У дрожжей, сюда входят Ctf18-RFC (chromosome transmission fidelity protein 18-replication factor C) комплекс, Mrc1-Tof1-Csm3 (mediator of the replication checkpoint 1-topoisomerase I-interacting factor 1-chromosome segregation in meiosis 3) replication checkpoint комплекс, компонент реплисом Ctf4 и Chl1 (chromosome loss 1) helicase162-166. Ни один из этих факторов не существенен для жизнеспособности клеток, но делеция любого из них приводит к снижению ацетилирования Smc3 и нарушет становление сцепления сестринских хроматид167, 168. Аналоги у позвоночных некоторых из этих белков сходным образом вносят вклад в сцепление сестринских хроматид169-172. Эти белки могут нести важную информацию о том, как достигать правильного пространственно-временного контроля ацетилирования когезина.
Ctf18-RFC участвует как в загрузочном, так и разгрузочном PCNA зажиме репликационной вилки. Важен ли один или др. для этой роли по становлению сцепления, пока неизвестно 135, 173, 174. Несмотря на формирование белкового комплекса, Mrc1, Tof1 и Csm3 подразделяются на два отдельных генетических пути по становлению сцепления, при этом Mrc1 функционирует в одном, а Tof1 и Csm3 в др. 175. Ctf4 является стержневым компонентом комплекса прогрессии реплисом, который связывает MCM репликативную геликазу посредством GINS комплекса с ДНК полимеразным α-primase комплексом 176. Структурные исследования показали, что Ctf4 образует гомотример, к которому присоединяются GINS и DNA polymerase α посредством общего пептидного мотива взаимодействия с Ctf4 177. Chl1 кодируется описанным, по-видимому, самым ранним мутантным геном потери хромосом 178, 179. Он был помещен в тот же самый генетический путь, что и Ctf4 и - посредством еще неизвестного механизма - предупреждает потерю хромосомного когезина во время репликации ДНК 168, 175, 180.
SMC complexes in genome stability
Smc5-Smc6 образуют третий важный комплекс у всех эукариот. Он вносит существенный вклад в репарацию ДНК с помощью рекомбинации, при этом он облегчает образование промежуточных структур рекомбинации24, 181-183. Др. рекомбинационные белки, однако, безразличны для жизнеспособности простых эукариот, так что настоящая важная функция этого комплекса пока неизвестна. Недавнее исследование сузило его важную роль до G2 или митоз184. Согласно одной идее отсутствие комплекса Smc5-Smc6 вызывает повреждения во время поздней ст. репликации, что неизбежно влечет за собой нарушения последующей репарации с помощью рекомбинации185. Роль связанной с ДНК топологии74 приводит к следующему.
Комплекс Smc5-Smc6 воспринимает архитектуру, сходную с когезином и конденсином, тем, что он образует SMC димер, закрываемый с помощью kleisin. Его субъединицы с HEAT повторами, Nse5 и Nse6, являются важными у почкующихся дрожжей, но не у делящихся дрожжей. Вместо этого, kleisin дополнительно контактирует с димером из двух важных субъединиц, Nse1 и Nse3, структура которых очень сходна с димером прокариотического SMC комплексе с субъединицами MukE или ScpB186. Это подтверждает возможность функционального сходства между прокариотическими SMC комплексами и эукариотическим Smc5-Smc6 комплексом, природу и значение которого еще предстоит исследовать. Субъединица Nse3 контактирует с ДНК, чтобы помочь загрузиться комплексу Smc5-Smc6 на хромосомы187. Др. уникальным свойством Smc5-Smc6 комплекса является SUMO ligase субъединица, Nse2, которая ассоциирует с Smc5 биспиралью188. Nse2 важна, но её SUMO лигазная активность нет. Сходным образом, Nse1 важна, но ubiquitin лигазная активность, которой эта субъединица обладает, нет 189, 190. Т.о., Nse1 и Nse2 обнаруживают разные функции комплекса. Эти важные функции нуждаются в интактном комплексе Smc5-Smc6 и могут использоваться в постановке топологических ДНК ловушек52. Лигазные SUMO и ubiquitin активности, в сою очередь, необходимы для реакции на повреждения экзогенной ДНК и могут быть нацелены с помощью постановки топологических ДНК ловушек на те места, где они необходимы. Идентифицированы многочисленные субстраты для sumoylation, важные для репарации ДНК; но их рассмотрение вне задач данного обзора.
Помимо Smc5-Smc6 комплекса, когезин и конденсин также реагируют на повреждения ДНК. Когезин и Smc5-Smc6 накапливаются в местах разрывов двойной нити ДНК, как часть реакции на повреждения ДНК191-193. Когезин усиливает слипчивость сестринских хроматид около мест разрыва ДНК, чтобы облегчить репарацию с помощью гомологичной рекомбинации
(Fig. 5b). Было бы интересно установить, влияет ли на исход репарации разрывов ДНК, проходит ли или нет разрыв вблизи предсуществующего сайта связывания когезина. Кроме того, когезин может устанавливать связи между концами разрыва, чтобы поддержать их близость (Fig. 5b). Оба механизма д. иметь целью правильную репарацию с использованием сестринских хроматид в качестве матрицы для незаконной рекомбинации по удаленным регионам гомологии194. Принимая во внимание быстрые перемещения хроматина в ядре, иммобилизация разорванных концов ДНК с помощью когезина195, по-видимому, важнейшая, если они воссоединяются с помощью любого пути репарации.
Конденсин, опять же вместе с Smc5-Smc6 комплексом накапливается на остановившейся вилке репликации ДНК у дрожжей 73, 193. Конденсин поддерживает структурную целостность хромосом в клетках человека после репликационного стресса 196, и он также вносит вклад в репарацию повреждений от УФЛ 30. Подобно когезину при разрывах ДНК, конденсин может стабилизировать остановившуюся репликационную вилку. Репликация начинается снова и будет протекать значительно труднее, если одна нить разорвана и концы ее разнесены (Fig. 5b). SMC комплекс, доставляемый на разрывы ДНК и остановившиеся репликационные вилки, т. о., может стабилизировать ломкие структуры, подобно гипсовой манжетке вокруг сломанной кости.
Conclusions
Становится яснее, как SMC белки компактизируют геном и делают возможной сцепление сестринских хроматид и их расхождение во время клеточных делений. Важная роль SMC комплексов во многих аспектах биологии хромосом отражается тем фактом, что дефекты белковых комплексов могут приводить к болезням (Box 2). Остаются важные вопросы. Как SMC комплексы устанавливают взаимодействия между более чем одним куском ДНК, и как эти взаимодействия задают форму хромосомам человека? Мы можем ожидать, что последующая информация будет получена благодаря получению структур высокого разрешения SMC комплексов и в результате наблюдения за их поведением на уровне одиночной молекулы.
|
Box 2: SMC complexes and human disease
Defects in SMC (structural maintenance of chromosomes) complexes and their regulators are the cause of a long list of human malignancies and diseases, many of which are thought to be due to the role of SMC complexes in chromosome segregation and gene regulation.
Most human tumours are characterized by chromosome instability, which contributes to their malignancy. This is often caused by loss of function of the SA2 cohesin subunit199. SA2 is encoded on the X chromosome, so a single mutational event can lead to its inactivation.
More subtle, inherited mutations in the genes encoding cohesin subunits are the cause of Cornelia de Lange syndrome (CdLS), a severe developmental disorder200. Most cases of CdLS are caused by mutations in NIPBL, the gene encoding the human Scc2 orthologue subunit of the cohesin loader. CdLS has clinical similarities with Coffin-Siris syndrome, which is caused by mutations in the genes encoding the human RSC (remodels the structure of chromatin) nucleosome remodelling complex. Given the functional interplay of the cohesin loader and the RSC complex in yeast86, this suggests that an altered nucleosome landscape might cause transcriptional changes that are characteristic of these syndromes. Changes in cohesin-mediated enhancer-promoter interactions may also contribute. CHOPS (cognitive impairment and coarse facies, heart defects, obesity, pulmonary involvement, short stature and skeletal dysplasia) syndrome also shares features with CdLS and is caused by mutations in AF4/FMR2 family member 4 (AFF4), promoting transcription restart of promoter-paused RNA polymerase II201. This adds a further facet of how cohesin might have an impact on gene regulation.
Roberts syndrome is a developmental defect that is caused by ESCO2 inactivation and combines features of sister chromatid cohesion defects and transcriptional misregulation202. Acetylation modulates the potency of cohesin in transcriptional regulation203, which could be part of the molecular underpinning of the syndrome.
Heritable mutations in the gene encoding the CHL1-related protein 1 (CHLR1) helicase cause Warsaw breakage syndrome. Clinical features include microcephaly and developmental defects, as well as skin pigmentation, the latter being otherwise associated with DNA repair defect syndromes204. Whether a role of CHLR1 in sister chromatid cohesion, replication fork progression, or both, contributes to the disease is not yet known
Mutations in microcephalin 1 (MCPH1), encoding a modulator of condensin II, cause primary microcephaly, which is characterized by a marked reduction in brain size205. Given the role of condensin in chromosome organization and gene regulation206, 207, it would be unsurprising if condensin mutations were the root of additional illnesses.
Heterozygous mutation in the gene encoding the NSE2 subunit of the SMC5-SMC6 complex leads to primordial dwarfism and insulin resistance, reminiscent of defects in the replication stress response208. Mutations in NSE3, in turn, have been found to be responsible for a syndrome comprising immunodeficiency, lung damage and radiation sensitivity, having led to death from pneumonia in early childhood (J. Murray and A. Lehmann, personal communication). |
|