Посещений: 
МИКРОЦЕФАЛИЯ
Роль мутаций конденсинов
Mutations in genes encoding condensin complex proteins cause microcephaly through decatenation failure at mitosis Carol-Anne Martin, Jennie E. Murray, Paula Carroll, et al.
 ЖУРНАЛ
|
Compaction of chromosomes is essential for accurate segregation of the genome during mitosis. In vertebrates, two condensin complexes ensure timely chromosome condensation, sister chromatid disentanglement, and maintenance of mitotic chromosome structure. Here, we report that biallelic mutations in NCAPD2, NCAPH, or NCAPD3, encoding subunits of these complexes, cause microcephaly. In addition, hypomorphic Ncaph2 mice have significantly reduced brain size, with frequent anaphase chromatin bridge formation observed in apical neural progenitors during neurogenesis. Such DNA bridges also arise in condensin-deficient patient cells, where they are the consequence of failed sister chromatid disentanglement during chromosome compaction. This results in chromosome segregation errors, leading to micronucleus formation and increased aneuploidy in daughter cells. These findings establish "condensinopathies" as microcephalic disorders, with decatenation failure as an additional disease mechanism for microcephaly, implicating mitotic chromosome condensation as a key process ensuring mammalian cerebral cortex size.
|
Правильная и аккуратная сегрегация генома нуждается в компакции хромосом и разделении сестринских хроматид. При митозах конденсация хромосом происходит посредством крупномасштабной реорганизации волокон хроматина и гарантирует перемещение хромосом в дочерние клетки без запутывания или задержки ДНК бороздой дробления. У метазоа сборка митотических хромосом обеспечивается прежде всего за счет активности двух комплексов белков, condensin I и II (Hirano 2012). Комплексы Condensin I и II обладают одним и тем же общим расположением с двумя стержневыми ATPases - structural maintenance of chromosomes 2 (SMC2) и SMC4 - но отличаются по своей третьей не-SMC субъединице. У человека, не-SMC субъединицами condensin I являются NCAPD2, NCAPG и NCAPH (известны также как Kleisin-γ), при этом соотв. аналогами в комплексе condensin II complex являются NCAPD3, NCAPG2 и NCAPH2 (Kleisin-β) (Hirano and Mitchison 1994; Hirano et al. 1997).
Несмотря на структурное сходство, condensin I и condensin II выполняют разные функции, при этом condensin II располагается в ядре во время интерфазы (Hirota et al. 2004) и необходим раннего осевого укорочения хромосом в профазе (Shintomi and Hirano 2011). Цитоплазматический конденсин I не получает доступа к хромосомам пока не разорвется ядерная оболочка (Hirota et al. 2004), тогда он вносит вклад в латеральную компакцию метафазных хромосом (Shintomi and Hirano 2011). Кроме того, condensins необходимы для удаления сцепления (catenations) между реплицирующимися хроматидами, возникающего во время репликации ДНК, способствуя topoisomerase II в активно расходящихся спутанных сестринских хроматид (Baxter et al. 2011; Charbin et al. 2014).
При аутосомной рецессивной первичной микроцефалии размер головного мозга значительно уменьшен, возникающий в результате объем черепа сравним с таковым у родоначальников человека несколько миллионов лет тому назад (Woods et al. 2005). Сходное уменьшение размера коры головного мозга также наблюдается у пациентов с microcephalic primordial dwarfism (MPD), у которых в отличие от первичной микроцефалии наблюдается низкий рост (Klingseisen and Jackson 2011). Идентификация генов болезни, общих обоим нарушениям (O'Driscoll et al. 2003; Bond et al. 2005; Al-Dosari et al. 2010; Kalay et al. 2011; Qvist et al. 2011; Martin et al. 2014) указывает на то, что первичная микроцефалия и MPD представляют собой фенотипический спектр, согласно которому, наблюдается непропорциональное уменьшение объема головного мозга по сравнению с размером тела (Verloes et al. 2009). Гены болезни, идентифицированные при этих микроцефалических нарушениях, кодируют интегральные белки хода клеточного цикла (Klingseisen and Jackson 2011). Многие кодируют центросомные белки, важные для эффективного образования митотического веретена (Bond et al. 2002, 2005; Griffith et al. 2008; Nicholas et al. 2010), и соотв. мутации, приводящие к нарушению ориентации плоскости деления в нейральных предшественниках (Fish et al. 2006; Gruber et al. 2011; Lancaster et al. 2013; Insolera et al. 2014). Следовательно, изменение динамики симметричных/асимметричных клеточных делений в нейральных стволовых клетках оказывается основным онтогенетическим механизмом микроцефалии (Thornton and Woods 2009).
Discussion
Human germline mutations in condensin protein subunits
Установлено, что мутации в генах, кодирующих субъединицы condensins, вызывают микроцефалию, вызывая нарушения конденсации хромосом, приводя тем самым к редукции размера головного мозга. Соматические мутации в condensins также оказались ассоциированными с некоторыми типами рака (Leiserson et al. 2015), по-видимому, мутации в зародышевой линии вызывают предрасположенность к раку.
В соответствии с важной для клеток природой condensins, связанной с их необходимостью для деления клеток (Strunnikov et al. 1995; Hagstrom et al. 2002; Hudson et al. 2003; Ono et al. 2003; Oliveira et al. 2005; Siddiqui et al. 2006), пациенты с мутациями, описанными здесь, все являются функционально гипоморфными.
Both condensin I and condensin II are required to resolve UFBs formed by dsDNA catenanes
В дополнение к идентификации трех новых генов, мы установили неспособность к decatenation в качестве нового патогенетического механизма для микроцефалии - митотического по происхождению и отличного от механизмов, предложенных ранее для идентифицированных генов болезни (Fig. 3K, model). Это противоречит нарушению регуляции транскрипции, которая лежит в основе "cohesinopathies" (Dorsett 2011), которые возникают в результате мутаций в паралогах когезиновых комплексов (Musio et al. 2006; Deardorff et al. 2007, 2012). Идентификация мутаций в condensin I и condensin II комплексах подтверждает митотическую основу, как необходимую для целостности митотических хромосом (Hudson et al. 2003; Ono et al. 2003; Hirota et al. 2004), так и для совместной локализации только в митозе на компактном хроматине (Hirota et al. 2004). Более того, целостность митотических хромосом нарушается в линиях клеток от пациентов, независимо от того, какой затронут из конденсинов.
Наши результаты показали, что нарушение decatenation, скорее всего, является прямым следствием нарушения компакции хромосом. Существенное образование мостиков хроматина описано в нулевых по condensin II клетках и тонкие DAPI-позитивные мостики появляются в нокаутных по condensin I клетках (Green et al. 2012). Поскольку клетки condensin II пациентов имеют сходные макроскопические хроматиновые мостики, хотя и с меньшей частотой, чем описывалось ранее, такие хроматиновые мостики не увеличивались в числе в condensin I Клетках. Это привело к предположению, что хотя мостики ДНК не выявляются с помощью DAPI , они могут присутствовать. PICH иммуноокрашивание позволяет выявлять UFBs, которые не были описаны ранее в клетках, дефицитных по condensin I или condensin II. Такие одиночные не хроматинизированные волокна ДНК подчеркивают неспособность decatenation как источника мостиков (Baumann et al. 2007; Chan et al. 2007; Ke et al. 2011) скорее, чем их возникновение непосредственно из дезорганизованной структуры хромосом. Механистические исследования на дрожжах продемонстрировали, что конденсины способствуют decatenation (D'Ambrosio et al. 2008; Baxter et al. 2011; Charbin et al. 2014), и было предположено, что конденсином обусловленная компакция хромосом увеличивает натяжение в catenated ДНК, которое сохраняется между сестринскими хроматидами, так, что предоставляет направленность topoisomerase II-обеспечиваемому обмену нитями в направлении decatenation хроматид (Fig. 5E, model; Cuylen and Haering 2011).
Изучение репликации стресс-ассоциированных UFBs в ломких местах показало причастность condensins к способствованию их разрешения (Minocherhomji et al. 2015). Мы установили здесь, что оба condensin комплекса также необходимы к разрешения двухнитчатой ДНК catenanes, которые появляются в неизмененных клетках, поскольку UFBs не были фланкированы FANCD2, маркером LRI UFBs. Кроме того, мы наблюдали дифференциальную потребность в condensin I и II для разрешения UFB, при этом condensin II особенно необходим для decatenation центромерных UFBs (Supplemental Fig. S5B), тогда как condensin I для возникновения UFBs в распространенных сайтах, которые не являются преимущественно центромеными или в рибосомальной ДНК (data not shown) (Ono et al. 2003, 2004; Shintomi and Hirano 2011).
Decatenation failure as a cause of microcephaly
Современная модель, разделяемая большинством, полагает, что гены первичной микроцефалии являются генами, нарушающими позицию митотического веретена, что приводит к изменению плоскости деления при цитокинезе и, следовательно, нарушает симметичный/асимметричный выбор клеточной судьбы (Fig. 3K). В противовес центросомной модели микроцефалии, ориентация веретена не изменена в дефицитных по condensin апикальных предшественниках (нейральных стволовых клетках). Более того, нормальные пропорции PAX6 предшественников и TUJ1-позитивных нейронов поддерживаются в развивающемся нейроэпителии, что согласуется с отсутствием нарушения symmetric/asymmetric выбора клеточных судеб. Следовательно, микроцефалия, ассоциированная с мутациями конденсинов, имеет митотическое происхождение, она возникает за счет др. механизма, который возникает из-за мостиков ДНК в делящихся апикальных нейральных предшественниках из-за нарушений decatenation.
Макроскопические хроматиновые мостики являются причиной нарушений расхождения хромосом (Hoffelder et al. 2004). В соответствии с этим, мы наблюдали запаздывание хромосомных фрагментов при наблюдении вживую condensin II клеток больных и, следовательно, микроядра в последующей интерфазе. Микроядра также возникают в condensin I больных клетках, подтверждая, что UFBs мэ также предупреждать своевременную сегрегацию хромосом, что подтверждается находками в PICH нокаутных DT40 клетках (Nielsen et al. 2015). Следовательно, несмотря на разные митотические роли двух комплексов конденсинов, неправильное расхождение хроматина, скорее всего, объясняет общий фенотип и проявление болезни. Более того, высокая частота UFBs при синдроме Blooms (Chan et al. 2007) также должна предсказывать, что микроцефалия при этом нарушении возникает за счет того же самого механизма.
Очевидно, что белок, кодируемый ранее идентифицированным геном первичной микроцефалии MCPH1 является регулятором конденсации хромосом, который ингибирует condensin II (Trimborn et al. 2006; Yamashita et al. 2011) и взаимодействует с субъединицами NCAPD3 и NCAPG2 (Wood et al. 2008; Yamashita et al. 2011). Это открывает возможность, что сходные механизмы вносят вклад в уменьшение размера головного мозга у MCPH1 пациентов. Однако, MCPH1, как известно, функционирует также в центросомной Chk1-зависимой checkpoint передаче сигналов (Tibelius et al. 2009), которая, если нарушена у Mcph1-/- мышей, то приводит к изменению ориентации митотического веретена и повышению асимметричных делений клеток в нейральных стволовых клетках (Gruber et al. 2011). Несмотря на это, принимая во внимание, что мутации в condensins теперь также обнаружены ка причина микроцефалии, то дальнейшие исследования MCPH1-condensin взаимодействия необходимы.
Мы наблюдали, что неспособность к расхождению хромосом ведет к анеуплоидии в клетках пациентов, что указывает на причину микроцефалии (Hanks et al. 2004; Marthiens et al. 2013). Анеуплоидия, как было установлено, нарушает пролиферативный потенциал и клеточную жизнеспособность, при этом модели хромосомной нестабильности у дрожжей и млекопитающих показывают, что неспособность к расхождению хромосом chromosome приводит к задержке клеточного цикла и/или его аресту (Santaguida and Amon 2015). Повреждения ДНК также, скорее всего, возникают в сохранившихся хроматиновых мостиках (Janssen et al. 2011; Maciejowski et al. 2015) и микроядрах (Crasta et al. 2012), это сильно снижет клеточную жизнеспособность, увеличивая итак уже высокие уровни апоптоза во время развития головного мозга. Снижение клеточной жизнеспособности также д. приводить к уменьшению размера головного мозга и согласуется с повышенной гибелью клеток, наблюдаемой у Nestin-cre condensin I и II нокаутов (Nishide and Hirano 2014). Поэтому мы полагаем, что нарушение decatenation с последующей неспособностью расхождения хромосом при води к снижению пролиферации клеток и увеличению гибели клеток при гипоморфных конденсиновых мутациях. Из-за ограниченного временного промежутка нейрогенеза одним из объяснений диспропорционального эффекта на размер головного мозга может служить повышенное количество хроматиновых мостиков в condensin-дефицитных нейральных стволовых клетках (Fig. 3J, Supplemental Fig. S5A; Nishide and Hirano 2014).
Итак, благодаря обнаружению мутаций во многих конденсиновых субъединицах, мы показали, что "condensinopathies" вызывают микроцефалию из-за нарушения decatenation ДНК, указывая на существование нового механизма болезни и на компакцию хромосом как ключевой процесс, гарантирующий нормальный кортикальный размер у млекопитающих.
|