Установление слипчивости сестринских хроматид
Слипание сестринских хроматид относится к процессу, посредством которого сестринские хроматиды соединяются и удерживаются вместе во время определенных фаз клеточного цикла . Установление сцепления сестринских хроматид - это процесс, посредством которого хроматином ассоциированный с белок когезин становится способным физически связывать вместе сестринские хроматиды. В общем, сплоченность устанавливается во время S-фазы , когда ДНК реплицируется, и теряется, когда хромосомы сегрегируются во время митоза и мейоза . Некоторые исследования показали, что слипание помогает выравнивать кинетохоры во время митоза, заставляя кинетохоры располагаться лицом к противоположным полюсам клетки. [1]
Загрузка когезина
[ редактировать ]Когезин сначала связывается с хромосомами во время фазы G1 . Когезиновое кольцо состоит из двух белков SMC (структурного поддержания хромосом) и двух дополнительных белков Scc. Первоначально когезин может взаимодействовать с хромосомами через АТФазные домены белков SMC. У дрожжей загрузка когезина в хромосомы зависит от белков Scc2 и Scc4. [2]
Когезин взаимодействует с хроматином в определенных локусах. Высокие уровни связывания когезина наблюдаются в центромере . Когезин также загружен в области прикрепления когезина (CAR) по длине хромосом. CAR представляют собой области длиной примерно 500–800 пар оснований, расположенные вдоль хромосом с интервалом примерно 9 тысяч оснований. У дрожжей CAR, как правило, богаты парами оснований аденин - тимин . CAR не зависят от начала репликации . [1] [3]
Установление сплоченности
[ редактировать ]Установление слипчивости относится к процессу, посредством которого связанный с хроматином когезин становится компетентным к слипанию. Хроматиновая ассоциация когезина недостаточна для слипания. Когезин должен подвергнуться последующей модификации («установлению»), чтобы быть способным физически удерживать сестринские хромосомы вместе. [4] Хотя когезин может связываться с хроматином на более ранних этапах клеточного цикла, слипание устанавливается во время S-фазы. Ранние данные, предполагающие, что S-фаза имеет решающее значение для слипания, были основаны на том факте, что после S-фазы сестринские хроматиды всегда находятся в связанном состоянии. Установление связи с репликацией ДНК позволяет клетке установить сплоченность, как только образуются сестринские хроматиды. Это решает проблему того, как клетка может правильно идентифицировать и спаривать сестринские хроматиды, гарантируя, что сестринские хроматиды никогда не разделяются после того, как произошла репликация. [1]
Ген Eco1/Ctf7 (дрожжи) был одним из первых генов, которые были идентифицированы как специфически необходимые для установления сплоченности. Eco1 должен присутствовать в фазе S для установления сплоченности, но его постоянное присутствие не требуется для поддержания сплоченности. [1] Eco1 взаимодействует со многими белками, непосредственно участвующими в репликации ДНК, включая процессивный зажим PCNA , субъединицы зажима-загрузчика и ДНК-хеликазу. Хотя Eco1 содержит несколько функциональных доменов, именно ацетилтрансферазная активность белка имеет решающее значение для установления сплоченности. Во время S-фазы Eco1 ацетилирует остатки лизина в субъединице Smc3 когезина. Smc3 остается ацетилированным, по крайней мере, до анафазы . [4] После удаления когезина из хроматина Smc3 деацетилируется Hos1. [5]
Ген Pds5 также был идентифицирован у дрожжей, необходимый для установления сплоченности. У человека этот ген имеет два гомолога: Pds5A и Pds5B . Pds5 взаимодействует с хроматином-ассоциированным когезином. Pds5 не является строго специфичным для заведения, поскольку Pds5 необходим для поддержания сплоченности во время G2 и фаз M. Потеря Pds5 сводит на нет требование Eco1. Таким образом, Pds5 часто называют фактором «против истеблишмента». [4]
В дополнение к взаимодействию с cohesin, Pds5 также взаимодействует с Wapl (крылья раздвинуты) , другим белком, который участвует в регуляции слипания сестринских хроматид. Человеческий Wapl связывает когезин через субъединицы когезина Scc (у человека Scc1 и SA1). Wapl связан с потерей когезина из хроматид во время М-фазы. [6] Wapl взаимодействует с Pds5 через мотивы последовательности фенилаланин - глицин -фенилаланин (FGF). [7]
Одна модель установления слипчивости предполагает, что установление опосредовано заменой Wapl в комплексе Wapl-Pds5-cohesin белком Sororin . Как и Wapl, Sororin содержит домен FGF и способен взаимодействовать с Pds5. В этой модели, предложенной Nishiyama et al ., Wapl взаимодействует с Pds5 и cohesin во время G1, до становления. Во время S-фазы Eco1 (Esco1/ Esco2 у человека) ацетилирует Smc3. Это приводит к вербовке Сорорина. Затем Сорорин заменяет Wapl в комплексе Pds5-когезин. Этот новый комплекс представляет собой устоявшееся, компетентное к сплочению состояние сплоченности. При вступлении в митоз Сорорин фосфорилируется и снова заменяется Ваплом, что приводит к потере слипчивости. [8] Сорорин также обладает активностью связывания хроматина независимо от его способности обеспечивать слипание. [9]
Мейоз
[ редактировать ]Белки сцепления SMC1ß , SMC3 , REC8 и STAG3 , по-видимому, участвуют в слипании сестринских хроматид на протяжении мейотического процесса в ооцитах человека . [10] SMC1β, REC8 и STAG3 представляют собой когезина белки , специфичные для мейоза. Белок STAG3 необходим для женского мейоза и фертильности . [11] Когезины участвуют в мейотической рекомбинации . [12]
Связи с репликацией ДНК
[ редактировать ]Растущее количество доказательств связывает установление сплоченности с репликацией ДНК. Как упоминалось выше, функциональное соединение этих двух процессов не позволяет клетке позже различать, какие хромосомы являются сестринскими, гарантируя, что сестринские хроматиды никогда не разделяются после репликации. [1]
Еще одна важная связь между путями репликации ДНК и сплоченности связана с фактором репликации C (RFC). Этот комплекс, «загрузчик зажимов», отвечает за загрузку PCNA в ДНК. Альтернативная форма RFC необходима для слипания сестринского хроматина. Эта альтернативная форма состоит из основных белков RFC RFC2 , RFC3 , RFC4 и RFC5 , но заменяет белок RFC1 белками, специфичными для слипания Ctf8 , Ctf18 и Dcc1 . Аналогичная специфическая для функции альтернатива RFC (замена RFC1 на Rad24) играет роль в контрольной точке повреждения ДНК. Присутствие альтернативного RFC на пути слипания можно интерпретировать как свидетельство в поддержку модели полимеразного переключения для установления слипчивости. [13] Как и несвязный RFC, связный RFC загружает PCNA в ДНК. [14]
Некоторые доказательства, связывающие сплоченность и репликацию ДНК, основаны на множественных взаимодействиях Eco1. Eco1 взаимодействует с PCNA, субъединицами RFC и ДНК-хеликазой Chl1 физически или генетически. [4] [15] Исследования также обнаружили белки, связанные с репликацией, которые влияют на слипчивость независимо от Eco1. [16] Субъединица Ctf18 специфичного для слипчивости RFC может взаимодействовать с субъединицами когезина Smc1 и Scc1. [14]
Модель полимеразного переключателя
[ редактировать ]Хотя этот белок первоначально был идентифицирован как избыточный фактор топоизомеразы I, позже было показано, что продукт гена TRF4 необходим для слипания сестринских хроматид. Ван и др . показали, что Trf4 на самом деле представляет собой ДНК-полимеразу , которую они назвали Полимеразой κ. [17] Эту полимеразу также называют полимеразой σ. В той же статье, в которой они идентифицировали Pol σ, Wang et al . предложил модель полимеразного переключения для установления сплоченности. [17] В этой модели при достижении CAR клетка переключает ДНК-полимеразы по механизму, аналогичному тому, который используется при синтезе фрагментов Оказаки . Клетка разгружает полимеразу процессивной репликации и вместо этого использует Pol σ для синтеза региона CAR. Было высказано предположение, что специфичный для слипания RFC может функционировать, разгружая или загружая PNCA и полимеразы при таком переключении. [1]
Связь с путями повреждения ДНК
[ редактировать ]Изменения в характере слипания сестринских хроматид наблюдались в случаях повреждения ДНК. Когезин необходим для восстановления двухцепочечных разрывов ДНК (DSB). Один из механизмов репарации DSB, гомологичная рекомбинация (HR), требует присутствия сестринской хроматиды для репарации в месте разрыва. Т.о., возможно, что для этого процесса необходима сплоченность, поскольку она гарантирует, что сестринские хроматиды физически находятся достаточно близко, чтобы подвергнуться HR. Повреждение ДНК может привести к загрузке когезина в сайтах, не относящихся к CAR, и установлению слипчивости в этих сайтах даже во время фазы G2. В присутствии ионизирующего излучения (ИК) субъединица когезина Smc1 фосфорилируется киназой с мутацией атаксии телеангиэктазии (АТМ). [18] ATM является ключевой киназой в контрольной точке повреждения ДНК. Дефекты сплоченности могут увеличить нестабильность генома . [19] результат согласуется со связью между слипчивостью и путями повреждения ДНК.
У бактерии Escherichia coli восстановление митомицином С, , вызванных повреждений ДНК происходит за счет процесса слипания сестринских хроматид с участием белка RecN. [20] Взаимодействие сестринских хроматид с последующей гомологичной рекомбинацией, по-видимому, вносит значительный вклад в восстановление двухцепочечных повреждений ДНК.
Медицинская значимость
[ редактировать ]Дефекты в установлении сцепления сестринских хроматид имеют серьезные последствия для клетки и, следовательно, связаны со многими заболеваниями человека. Неспособность правильно установить сплоченность или неадекватная потеря слипчивости может привести к неправильной сегрегации хромосом во время митоза, что приводит к анеуплоидии . Потеря человеческих гомологов основных белков когезина или Eco1, Pds5, Wapl, Sororin или Scc2 связана с раком . Мутации, влияющие на сплоченность и установление сплоченности, также ответственны за синдром Корнелии де Ланге и синдром Робертса . Заболевания, возникающие из-за дефектов когезина или других белков, участвующих в слипании сестринских хроматид, называются когезинопатиями. [19]
Генетические изменения в генах NIPBL , SMC1A , SMC3 , RAD21 и HDAC8 связаны с синдромом Корнелии де Ланге. [21] Все белки, кодируемые этими генами, участвуют в пути слипания хромосом, который участвует в слипании сестринских хроматид во время митоза , репарации ДНК , сегрегации хромосом и регуляции экспрессии генов развития. Нарушения этих функций, вероятно, лежат в основе многих особенностей синдрома Корнелии де Ланг.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж Ван, Чжэнхэ; Кристман, Майкл Ф. (2001). «Деятельность, связанная с репликацией, обеспечивает сплоченность между сестринскими хроматидами». Клеточная биохимия и биофизика . 35 (3): 289–301. дои : 10.1385/cbb:35:3:289 . ПМИД 11894848 . S2CID 12433941 .
- ^ Морган, Дэвид О. (2007). Клеточный цикл, принципы управления . ООО "Нью Сайенс Пресс"
- ^ Коэн-Фикс, Орна (2001). «Создание и разрушение сплоченности сестринских хроматид» . Клетка . 106 (2): 137–140. дои : 10.1016/s0092-8674(01)00439-1 . ПМИД 11511341 .
- ^ Jump up to: а б с д Скиббенс, Роберт В. (2009). «Установление сплоченности сестринских хроматид» . Современная биология . 19 (24): Р1126–Р1132. дои : 10.1016/j.cub.2009.10.067 . ПМЦ 4867117 . ПМИД 20064425 .
- ^ Борхес, Ванесса; Лихан, Крис; Лопес-Серра, Лидия; Флинн, Хелен; Скехель, Марк; Бен-Шахар, Том Ролеф; Ульманн, Франк (2010). «Hos1 деацетилирует Smc3, чтобы замкнуть цикл ацетилирования когезина» . Молекулярная клетка . 39 (5): 677–688. doi : 10.1016/j.molcel.2010.08.009 . ПМИД 20832720 .
- ^ Ганди, Рита; Гиллеспи, Питер Дж.; Хирано, Тацуя (2006). «Человеческий Wapl представляет собой когезин-связывающий белок, который способствует разрешению сестринских хроматид в митотической профазе» . Современная биология . 16 (24): 2406–2417. дои : 10.1016/j.cub.2006.10.061 . ПМК 1850625 . ПМИД 17112726 .
- ^ Синтоми, К.; Хирано, Т. (2009). «Высвобождение когезина из плеч хромосом в раннем митозе: противоположные действия Wapl-Pds5 и Sgo1» . Гены и развитие . 23 (18): 2224–2236. дои : 10.1101/gad.1844309 . ПМК 2751989 . ПМИД 19696148 .
- ^ Нисияма, Томоко; Ладурнер, Рене; Шмитц, Джулия; Крейдл, Эмануэль; Шлейффер, Александр; Бхаскара, Венугопал; Бандо, Масасигэ; Сирахигэ, Кацухико; Хайман, Энтони А.; Мехтлер, Карл; Петерс, Ян-Майкл (2010). «Сорорин опосредует сплоченность сестринских хроматид, противодействуя Ваплу» . Клетка . 143 (5): 737–749. дои : 10.1016/j.cell.2010.10.031 . ПМИД 21111234 .
- ^ Ву, Фрэнк М.; Нгуен, Джуди В.; Рэнкин, Сюзанна (2011). «Для сплоченности сестринских хроматид необходим консервативный мотив на C-конце сорорина» . Журнал биологической химии . 286 (5): 3579–3586. дои : 10.1074/jbc.M110.196758 . ПМК 3030362 . ПМИД 21115494 .
- ^ Гарсиа-Крус Р., Бриеньо М.А., Ройг И., Гроссманн М., Велилья Е., Пухоль А., Каберо Л., Пессарродона А., Барберо Х.Л., Гарсия Кальдес М. (2010). «Динамика белков когезина REC8, STAG3, SMC1 бета и SMC3 согласуется с их ролью в слипании сестринских хроматид во время мейоза в ооцитах человека». Хм. Репродукция . 25 (9): 2316–27. дои : 10.1093/humrep/deq180 . ПМИД 20634189 .
- ^ Кабюре С., Гроув В.А., Плейн Э., Овербик П.А., Барбер Дж.Л., Ока К., Харрисон В., Вайман Д., Бен-Нерия З., Гарсиа-Туньон И., Феллоус М., Кулонс А.М., Вейтиа Р.А., Вилен Е (2014). «Мутантный когезин при преждевременной недостаточности яичников» . Н. англ. Дж . Мед 370 (10): 943–9 дои : 10.1056/NEJMoa1309635 . ПМК 4068824 . ПМИД 24597867 .
- ^ Куш, Т. (2015). «Комплексы Brca2-Pds5 мобилизуют стойкие сайты мейотической рекомбинации в ядерную оболочку» . Журнал клеточной науки . 128 (4): 717–727. дои : 10.1242/jcs.159988 . ПМИД 25588834 . S2CID 7093288 .
- ^ Майер, Мелани Л.; Гиги, Стивен П.; Эберсольд, Руди; Хитер, Филип (2001). «Идентификация RFC(Ctf18p, Ctf8p, Dcc1p)» . Молекулярная клетка . 7 (5): 959–970. дои : 10.1016/s1097-2765(01)00254-4 . ПМИД 11389843 .
- ^ Jump up to: а б Бермудес Владимир П.; Манива, Ёсимаса; Таппин, Ингер; Озато, Кейко; Ёкомори, Кёко; Гурвиц, Джерард (2003). «Альтернативный комплекс Ctf18-Dcc1-Ctf8-фактор репликации C, необходимый для слипания сестринских хроматид, загружает ядерный антиген пролиферирующих клеток на ДНК» . Труды Национальной академии наук . 100 (18): 10237–42. Бибкод : 2003PNAS..10010237B . дои : 10.1073/pnas.1434308100 . ЧВК 193545 . ПМИД 12930902 .
- ^ Скиббенс, Р.В. (2004). «Chl1p, ДНК-геликазоподобный белок в почкующихся дрожжах, участвует в слипании сестринских хроматид» . Генетика . 166 (1): 33–42. дои : 10.1534/генетика.166.1.33 . ПМЦ 1470669 . ПМИД 15020404 .
- ^ Jump up to: а б Марадео, Мари Э.; Скиббенс, Роберт В. (2010). «Комплексы фактора репликации C играют уникальные про- и антиустановленные роли в слипании сестринских хроматид» . ПЛОС ОДИН . 5 (10): e15381. Бибкод : 2010PLoSO...515381M . дои : 10.1371/journal.pone.0015381 . ПМК 2965161 . ПМИД 21060875 .
- ^ Jump up to: а б Ван, Чжэнхэ; Честнат, Ирен Б.; Из скал, Александр; Адамс, Кэрри; Кристман, Майкл Ф. (2000). «Pol κ: ДНК-полимераза, необходимая для слипания сестринских хроматид». Наука 289 (5480): 774–9. Бибкод : 2000Sci...289..774W . дои : 10.1126/science.289.5480.774 . ПМИД 10926539 .
- ^ Ватрин, Эрван; Петерс, Ян-Майкл (2006). «Когезин и восстановление повреждений ДНК». Экспериментальные исследования клеток . 312 (14): 2687–2693. doi : 10.1016/j.yexcr.2006.06.024 . ПМИД 16876157 .
- ^ Jump up to: а б Маннини, Линда; Менга, Стефания; Мусио, Антонио (2010). «Расширяющаяся вселенная функций когезина: новый хранитель стабильности генома, участвующий в заболеваниях и раке человека» . Человеческая мутация . 31 (6): 623–630. дои : 10.1002/humu.21252 . ПМИД 20513141 . S2CID 27361281 .
- ^ Викридж Э., Планшено С., Кокрам С., Джунседа И.Г., Эспели О (2017). «Управление слипчивостью сестринских хроматид E. coli в ответ на генотоксический стресс» . Нат Коммун . 8 : 14618. Бибкод : 2017NatCo...814618V . дои : 10.1038/ncomms14618 . ПМЦ 5343486 . ПМИД 28262707 .
- ^ Бойл М.И., Йесперсгаард С., Брондум-Нильсен К., Бисгаард А.М., Тюмер З. (2015). «Синдром Корнелии де Ланге». Клин. Ген . 88 (1): 1–12. дои : 10.1111/cge.12499 . ПМИД 25209348 . S2CID 37580405 .