Развитие сложных многоклеточных организмов при слиянии двух гаплоидных клеток нуждается в двух фундаментальных процессах: ождин, это пролиферация клеток, для обеспечения роста; др. - это дифференцировка клеток для генерации специализированных клеток для тканей и органов. Комплекс cohesin играет ключевую роль в обоих этих процессах. Cohesin первоначально был идентифицирован как медиатор слияния сестринских хроматид. Он устанавливает физическую связь между двумя сестринскими хроматидами с момента, когда она возникает в репликационной вилке. Эта связь важна для эффективной репарации ДНК c помощью гомологичной рекомбинации во время S/G2, и для собственно выстраивания хромосом и расхождения в митозе. Т.о., cohesin гарантирует время клеточной пролиферации. Относительно дифференцировки клеток, ясно, что он предопределяет тип клеток не за счет их генома, но тем, как этот геном используется. Растут доказательства, подтверждающие важность структуры хроматина высшего порядка во временной и пространственной регуляции транскрипции. Мы только начинаем понимать, как пространственная организация хроматина влияет на экспрессию генов, но cohesin выступает как важный элемент такой организации. Здесь и на постере мы кратко рассмотрим современные знания о cohesin и его разнообразных функциях, уделив основное внимание тому, как эти функции влияют на эмбриональное развитие. постер

The cohesin complex

Cohesin состоит из 4=х субъединиц - Smc1, Smc3, Scc1/Rad21 и Scc3/SA - организованных в кольцеобразную структуру. Smc1 и Smc3 принадлежат семейству structural maintenance of chromosomes (SMC) хромосомных ATPases, которое также включает стержневые субъединицы condensin и Smc5/6 комплекс. Эти комплексы законсервированы от дрожжей до человека, а SMC-подобные белки вносят вклад а организацию и динамику хромосом у бактерий и archaea (Hirano, 2005). Scc1/Rad21 принадлежит семейству kleisin белков и взаимодействует с Smc1 и Smc3, чтобы замкнуть кольцо. Субъединица Scc3/SA в соматических клетках позвоночных может быть SA1 или SA2, хотя существуют дополнительные варианты SA и др. субъединицыв мейотических клетках.

The regulation of cohesin during the cell cycle

Cohesin топологически обнимает хроматиновое волокно(а) своей кольцеобразной структурой (Nasmyth, 2011). Комплекс рекрутируется на хроматин во время G1 c помощью процесса, который нуждается в cohesin-взаимодействующем гетеродимере Scc2-Scc4 (Nipbl-Mau2 в клетках человека) и гидролизе АТФ. Это связывание довольно динамично; два белка, известные как Pds5 (precocious dissociation of sister chromatids 5) и Wapl (wings apart-like homolog) ассоциируют с cohesin на хроматине и способствуют его выгрузке (unloading) (Gerlich et al., 2006). Осуществление слипчивости (cohesion) (т.e. захват обеих сестринских хроматид) происходит во время S фазы. В это время субъединица cohesin Smc3 ацетилируется по двум лизиновым остаткам c помощью cohesin acetyltransferases (CoATs) (Rolef Ben-Shahar et al., 2008). Эта модификация может запускать конформационное изменение в когезиновом комплексе, которое нейтрализует акцию выгрузки с помощью Pds5-Wapl (Chan et al., 2012). У позвоночных становление cohesion также нуждается в соединении sororin с cohesin, которое осуществляется посредством Pds5 (Nishiyama et al., 2010). В начале митоза, когда хромосомы конденсируются, большая часть cohesin отсоединяется от хроматина. Эта профазная диссоциация, которая происходит только у высших эукариот, управляется с помощью Pds5-Wapl и требует фосфорилирования cohesin (Shintomi and Hirano, 2010). Однако, небольшая фракция cohesin защищена от диссоциации с помощью Shugoshin-PP2A (protein phosphatase 2A) и остается связанной с хроматином, в основном в перицентромерных регионах. Эта популяции противостоит растягивающим силам веретена и делает возможным выстраивание хромосом. В начале анафазы активация anaphase-promoting complex APC/C управляет деградацией securin, так что separase может отщеплять субъединицу Rad21 от связанного с хроматином cohesin и устранять слипчивость (cohesion). Cohesin deacetylases (CoDACs) позволяет высвобождаться cohesin комплексам во время митоза, чтобы сделать возможным их преобразование и использование в следующей G1 фазе (reviewed by Remeseiro and Losada, 2013).

General mechanisms of cohesin action

Чтобы обеспечить слипание cohesin охватывает два сегмента ДНК (т.e., две сестринские хроматиды) в транс-положении. Во время S и G2 фаз эта функция важна для возобновления функции репликационной вилки, которая останавливается в регионах трудных для репликации (напр., в теломерах) и репарирует разрывы двойной нити с помощью гомологичной рекомбинации (Remeseiro et al., 2012a). Во время клеточного деления, слипание препятствует преждевременному разделению сестринских хроматид под действием растягивающих сил микротрубочек веретена (Toyoda and Yanagida, 2006) и облегчает также биполярное закрепление на сестринских кинетохорах. Однако предполагается, что cohesin может также захватывать два разных сегмента ДНК в цис-положении, чтобы формировать петлю. Петли хроматина, стабилизированные с помощью cohesin, могут быть очень разных размеров и использоваться по разным причинам в интерфазном хроматине. Напр., они организуют репликационные фактории, чтобы способствовать эффективному началу работы (firing) (Guillou et al., 2010). Они также облегчают перестройку локуса Tcrα, который важен для дифференцировки Т клеток (Seitan et al., 2011; Shih et al., 2012), и обеспечивает уплотнение локуса Igh, которое, по-видимому, облегчает V(D)J рекомбинацию (Degner et al., 2011). Более того, они делают возможными коммуникации между генными промоторами и их (удаленными) цис-регуляторными регионами (Kagey et al., 2010), и они могут также изолировать геномны регион, чтобы гарантировать его независимые регуляцию и функцию. Хотя хроматиновые петли не могут быть увидены с помощью современной микроскопии, их существование подтверждается по обнаружению физических взаимодействий между удаленными локусами генома посредством технологий chromosome conformation capture (de Wit and de Laat, 2012) и также с помощью флюоресценции при in situ подходов, базирующихся на гибридизации (Jhunjhunwala et al., 2008).

Cohesin and transcription

У дрожжей cohesin вносит вклад в регуляцию генов путем определения позиции генов внутри ядра, т.e. за счет их близости к ядрышку или кластерам тДНК (Gard et al., 2009). В целом, комплекс исключен из активно транскрибируемых генов и накапливается в сайтах конвергентной транскрипции (Ocampo-Hafalla and Uhlmann, 2011). У S. pombe, он также действует как терминатор транскрипции (Gullerova and Proudfoot, 2008). Однако, у Drosophila cohesin соединяется преимущественно с активными генами, где он локализуется совместно с их загрузчиками (loader) и с RNA polymerase II (Misulovin et al., 2008). Элегантные эксперименты на слюнных железах Drosophila продемонстрировали, что cohesin влияет на экспрессию генов независимо от их роли в качестве медиатора слипания сестринских хроматид (Pauli et al., 2010). Др. эксперименты показали, что cohesin и его загрузчик обладают чувствительными к дозе эффектами на функции генов, участвующих в ключевых путях развития (Dorsett, 2009). Недавно было показано, что cohesin может нейтрализовать молчание, обеспечиваемое с помощью Polycomb белков, хотя в некоторых случаях он может кооперировать с Polycomb, чтобы ограничивать транскрипцию (Cunningham et al., 2012; Hallson et al., 2008; Schaaf et al., 2009). Наконец, cohesin, по-видимому, как позитивно, так и негативно влияет на переход от сделавшей паузу РНК полимеразы к элонгации транскрипции (Fay et al., 2011; Schaaf et al., 2013).

У млекопитающих cohesin локализуется совместно с транскрипционным инсулятором CTCF (CCCTC-binding factor) и обеспечивает изоляцию (insulation) транскрипции (Parelho et al., 2008; Wendt et al., 2008). Cohesin осуществляет эту функцию, способствуя образованию петель хроматина в сотрудничестве с CTCF на некоторых локусах, включая онтогенетически регулируемый локус interferon γ (Ifng) (Hadjur et al., 2009), кластер генов apolipoprotein (Mishiro et al., 2009), локус Igf2/H19 (Nativio et al., 2009) и β-globin локус и окружает гены обонятельных рецепторов (Chien et al., 2011; Hou et al., 2010). Cohesin может также влиять на транскрипцию независимо от CTCF, совместно с дополнительными факторами. Фактически cohesin локализуется совместно с эстрогеновым рецептором α в местах, не связанных с CTCF в клетках рака молочных желез, подчеркивая возможную роль cohesin в ткане-специфической транскрипции (Schmidt et al., 2010). В эмбриональных стволовых клетках мышей cohesin и медиатор, т.е. транскрипционный коактиватор, облегчают образование петель ДНК между энхансерами и способствуют генам, необходимым для поддержания плюрипотентности (Kagey et al., 2010). Cohesin также позитивно регулирует экспрессию генов, таких как Myc и protocadherins (Monahan et al., 2012; Rhodes et al., 2010). Из двух версий cohesin, присутствующих в соматических клетках, cohesin-SA1 и cohesin-SA2, первый, по-видимому, играет более важную роль в регуляции экспрессии генов. В согласии с этим, мышиные эмбриональные фибробласты, лишенные SA1, обнаруживают драматические изменения в распределении cohesin, которое указывает на уменьшение его присутствия на промоторах и CTCF сайтах. Как следствие, экспрессия генов изменяется таким образом, что это сказывается на эмбриональном развитии у SA1-нулевых мышей (Remeseiro et al., 2012b).

Cohesin and human disease

Cohesinopathies

Существуют , по крайней мере, два человеческих синдрома, связанных с дисфункцией cohesin: Cornelia de Lange syndrome (CdLS) и Roberts syndrome (RBS). CdLS встречается у детей с частотой 1:30000 и характеризуется как физическими, так и умственными аномалиями развития. RBS является редким нарушением, характеризующимся задержкой пренатального роста, уродствами конечностей и черепно-лицевыми аномалиями. Эти две когезинопатии, по-видимому, возникают в результате нарушений разных функций cohesin (Horsfield et al., 2012). Более половины индивидов с CdLS несут гетерозиготные мутации в гене, кодирующем загрузчик когезина Nipbl (Nipped-B homolog), тогда как мутации в генах, кодирующих Smc1, Smc3 и Rad21 и CoDAC Hdac8 (histone deacetylase 8), обнаруживаются с более низкими частотами (Deardorff et al., 2012). Клетки от индивидов с CdLS не обнаруживают дефектов слипания, хотя они обнаруживают повышенную чувствительность к повреждениям ДНК (Dorsett and Str?m, 2012) и обнаруживают изменения в экспрессии гена (Liu et al., 2009). Мыши, частично дефектные по Nipbl, воспроизводят некоторые признаки CdLS, а анализ микромассива выявляет отклонения в транскрипции многих генов (Kawauchi et al., 2009). Более того, клетки от мышиных эмбрионов, лишенные субъединицы cohesin SA1 (Stag1), которые обнаруживают четкую задержку развития и погибают перед рождением, обнаруживают дефекты слипания теломер и измененные транскрипционные профили, сходные с таковыми при CdLS, это коррелирует с присутствием cohesin вблизи затрагиваемых генов (Remeseiro et al., 2012b). Интересно, что Stag1 гетерозиготные животные не обнаруживают CdLS фенотипических отклонений, хотя они имеют более короткий период жизни и повышенный туморогенез. Мыши, лишенные когезиновых регуляторных факторов Pds5A или Pds5B, также погибают перинатально и обнаруживают дефекты развития, напоминающие CdLS патологию (Zhang et al., 2009; Zhang et al., 2007); однако анализ экспрессии генов не был осуществлен для этих животных.

Мутанты Drosophila и рыбок данио с пониженной дозой Nipbl или cohesin также обнаруживают изменения экспрессии генов и онтогенетические дефекты, но не обнаруживают дефектов расхождения хромосом (Muto et al., 2011). Т.о., очень вероятно, что экспрессия генов, особенно во время развития, наиболее чувствительна к количествам или активности cohesin, чем к нарушениям связанных со слипанием функций, т.e. репарации ДНК и сегрегации хромосом. Эта идея также согласуется с идентификацией гомозиготных мутаций в гене, кодирующем CoAT Esco2 (establishment of cohesion homolog 2), в качестве причины RBS (Vega et al., 2005). Esco2 важен для становления слипания в перицентрическом гетерохроматине (Whelan et al., 2012), это объясняет потерю слипания перицентромерных регионов в хромосомах от индивидов с RBS. Интересно, что дефицит Esco2 у мышей приводит к очень ранней гибели эмбрионов (Whelan et al., 2012), это может быть из-за того, что акроцентрическая природа хромосом мышей делает их более склонными к неправильному расхождению в отсутствие перицентрического слипания. Пониженная пролиферация клеток и повышенный апоптоз во время развития также наблюдаются у рыбок данио, моделирующих RBS, у которых истощен Esco2 (Monnich et al., 2011).

Недавно описана третья когезинопатия - Warsaw Breakage syndrome - при котором обнаруживают признаки, общие RBS и нарушению крови анемии Фанкони. Синдром обусловливается биаллельной мутацией гена, кодирующего Chlr1 (также известного как Ddx11), ДНК helicase, необходимую для собственно слипания сестринских хроматид у дрожже и в клетках млекопитающих (van der Lelij et al., 2010).

Cohesin and cancer

Помимо причины когезинопатий мутации в cohesin и взаимодействующих с ним факторах оказались сцепленными с раком. Мутации в гене, кодирующем когезиновую субъединицу SA2 (Stag2), который располагается на X хромосоме, были найдены в существенном количестве опухолей человека (Solomon et al., 2011). Поскольку cohesin комплексы, содержащие SA2 ответственны за слипание центромер, то неправильное расхождение хромосом и анеуплоидия в SA2-дефицитных клетках должны запускать или способствовать туморогенезу. Мыши, гетерозиготные по Stag1, также обнаруживают повышенную анеуплоидию и туморогенез, но за счет совершенно иного механизма, чем тот, что участвует в репликации поврежденных теломер (Remeseiro et al., 2012a). Интересно, что мутации в генах, кодирующих Smc1, Smc3, Rad21 и SA2, как было установлено, также обнаруживаются при острой миелоидной лейкемии, типе рака, который обычно не характеризуется анеуплоидией (Welch et al., 2012). Вносят ли вклад нарушения транскрипции, вызываемые с помощью нарушения функции cohesin в туморогенез, предстоит выяснить.

Perspectives

Cohesin has been classically studied for its role in chromosome segregation and DNA repair. However, intriguing reports from Drosophila genetics, published more than a decade ago, hinted to a role for cohesin in promoting the activation of developmental genes by distal enhancers. The importance of cohesin in regulating gene expression is today beyond doubt, but we are still far from understanding the molecular mechanisms responsible for this regulation. The additional roles of cohesin in cohesion, replication and recombination also contribute to position this complex at the center stage of embryonic development. Continued work in different model systems and the use of diverse experimental approaches will allow us to better understand how the cohesin complex works and how it is regulated. Moreover, this knowledge may provide important hints to improve the diagnosis and treatment of human diseases originating from mutations in cohesin and its regulators.

Cohesin in development and disease Silvia Remeseiro,Ana Cuadrado and Ana Losada 2013 Development140, 3715-3718

Cohesin in development and disease
Silvia Remeseiro,Ana Cuadrado and Ana Losada
2013 Development140, 3715-3718