Ustalenie spójności chromatyd siostrzanych
Spójność chromatyd siostrzanych odnosi się do procesu, w którym chromatydy siostrzane są parowane i utrzymywane razem podczas pewnych faz cyklu komórkowego . Ustanowienie spójności chromatyd siostrzanych jest procesem, w którym białko kohezyny związane z chromatyną staje się zdolne do fizycznego wiązania ze sobą chromatyd siostrzanych. Ogólnie rzecz biorąc, spójność jest ustalana podczas fazy S , gdy DNA jest replikowane, i jest tracona, gdy chromosomy segregują się podczas mitozy i mejozy . Niektóre badania sugerują, że spójność pomaga w wyrównaniu kinetochorów podczas mitozy, zmuszając kinetochory do zwrócenia się ku przeciwległym biegunom komórki.
Ładowanie kohezyny
Kohezyna po raz pierwszy łączy się z chromosomami w fazie G1 . Pierścień kohezynowy składa się z dwóch białek SMC (strukturalne utrzymanie chromosomów) i dwóch dodatkowych białek Scc. Kohezyna może pierwotnie oddziaływać z chromosomami poprzez domeny ATPazy białek SMC. U drożdży ładowanie kohezyny na chromosomach zależy od białek Scc2 i Scc4.
Kohezyna oddziałuje z chromatyną w określonych loci. W centromerze obserwuje się wysoki poziom wiązania kohezyny . Kohezyna jest również ładowana w regionach przyłączania kohezyny (CAR) wzdłuż długości chromosomów. CAR to regiony o długości około 500-800 par zasad rozmieszczone wzdłuż chromosomów w odstępach około 9 kilozasad. W drożdżach CAR są zwykle bogate w pary zasad adenina - tymina . CAR są niezależne od pochodzenia replikacji .
Ustanowienie spójności
Ustanowienie kohezji odnosi się do procesu, w którym kohezyna związana z chromatyną staje się kompetentna w zakresie kohezji. Połączenie chromatyny z kohezyną nie jest wystarczające dla spójności. Cohesin musi przejść późniejszą modyfikację („ustanowienie”), aby móc fizycznie trzymać razem siostrzane chromosomy. Chociaż kohezyna może łączyć się z chromatyną na wcześniejszych etapach cyklu komórkowego, kohezja jest ustalana podczas fazy S. Wczesne dane sugerujące, że faza S ma kluczowe znaczenie dla spójności, opierały się na fakcie, że po fazie S chromatydy siostrzane zawsze znajdują się w stanie związanym. Wiązanie ustanowienia z replikacją DNA umożliwia komórce ustanowienie spójności, gdy tylko utworzą się siostrzane chromatydy. Rozwiązuje to problem, w jaki sposób komórka może właściwie identyfikować i parować chromatydy siostrzane, zapewniając, że chromatydy siostrzane nigdy nie zostaną rozdzielone po wystąpieniu replikacji.
Gen Eco1/Ctf7 (drożdże) był jednym z pierwszych genów, które zidentyfikowano jako szczególnie wymagane do ustanowienia spójności. Eco1 musi być obecny w fazie S, aby ustanowić spójność, ale jego ciągła obecność nie jest wymagana do utrzymania spójności. Eco1 wchodzi w interakcje z wieloma białkami bezpośrednio zaangażowanymi w replikację DNA, w tym z zaciskiem procesowym PCNA , podjednostkami ładującymi klamry i helikazą DNA. Chociaż Eco1 zawiera kilka domen funkcjonalnych, to właśnie acetylotransferazy białka ma kluczowe znaczenie dla ustalenia spójności. Podczas fazy S Eco1 acetyluje lizyny w podjednostce Smc3 kohezyny. Smc3 pozostaje acetylowany co najmniej do anafazy . Po usunięciu kohezyny z chromatyny, Smc3 jest deacetylowany przez Hos1.
Gen Pds5 został również zidentyfikowany w drożdżach jako niezbędny do ustalenia spójności. U ludzi gen ma dwa homologi, Pds5A i Pds5B . Pds5 oddziałuje z kohezyną związaną z chromatyną. utrzymania spójności podczas fazy G2 i M. Utrata Pds5 neguje wymóg Eco1. Jako taki, Pds5 jest często określany jako czynnik „anty-establishmentowy”.
Oprócz interakcji z kohezyną, Pds5 oddziałuje również z Wapl (podobnie jak skrzydła) , innym białkiem, które bierze udział w regulacji spójności chromatyd siostrzanych. Ludzki Wapl wiąże kohezynę poprzez podjednostki kohezyny Scc (u ludzi Scc1 i SA1). Wapl został powiązany z utratą kohezyny z chromatyd podczas fazy M. Wapl oddziałuje z Pds5 poprzez fenyloalanina - glicyna - fenyloalanina (FGF).
Jeden model ustalania spójności sugeruje, że ustanawianie odbywa się za pośrednictwem zastąpienia Wapl w kompleksie Wapl-Pds5-kohezyna białkiem Sororin . Podobnie jak Wapl, Sororin zawiera domenę FGF i jest zdolny do interakcji z Pds5. W tym modelu, przedstawionym przez Nishiyamę i in ., Wapl oddziałuje z Pds5 i kohezyną podczas G1, przed ustanowieniem. Podczas fazy S Eco1 (Esco1/ Esco2 u ludzi) acetyluje Smc3. Powoduje to rekrutację Sororina. Sororin następnie zastępuje Wapla w kompleksie Pds5-kohezyna. Ten nowy kompleks jest ustalonym, zdolnym do kohezji stanem kohezyjnym. Na wejściu do mitozy Sororin jest fosforylowany i ponownie zastępowany przez Wapl, co prowadzi do utraty spójności. Sororin ma również aktywność wiązania chromatyny, niezależną od jej zdolności do pośredniczenia w kohezji.
Mejoza
Białka kohezyjne SMC1ß , SMC3 , REC8 i STAG3 wydają się uczestniczyć w kohezji siostrzanych chromatyd w całym procesie mejotycznym w ludzkich oocytach . SMC1ß, REC8 i STAG3 to białka kohezyny swoiste dla mejozy. Białko STAG3 jest niezbędne dla mejozy i płodności kobiet . Kohezyny biorą udział w rekombinacji mejotycznej .
Wiąże się z replikacją DNA
Coraz więcej dowodów wiąże ustanowienie spójności z replikacją DNA. Jak wspomniano powyżej, funkcjonalne sprzężenie tych dwóch procesów uniemożliwia komórce późniejsze rozróżnienie, które chromosomy są siostrami, zapewniając, że siostrzane chromatydy nigdy nie zostaną rozdzielone po replikacji.
Innym znaczącym powiązaniem między replikacją DNA a szlakami spójności jest czynnik replikacji C (RFC). Ten kompleks, „ładowacz zaciskowy”, jest odpowiedzialny za ładowanie PCNA na DNA. Do spójności chromatyny siostrzanej wymagana jest alternatywna forma RFC. Ta alternatywna forma składa się z rdzeniowych białek RFC RFC2 , RFC3 , RFC4 i RFC5 , ale zastępuje białko RFC1 białkami specyficznymi dla kohezji Ctf8 , Ctf18 i Dcc1 . Podobna specyficzna dla funkcji alternatywa RFC (zastępująca RFC1 Rad24) odgrywa rolę w punkcie kontrolnym uszkodzeń DNA. Obecność alternatywnego RFC w ścieżce kohezji można interpretować jako dowód na poparcie modelu przełączania polimerazy w celu ustanowienia spójności. Podobnie jak niespójny RFC, kohezyjny RFC ładuje PCNA na DNA.
Niektóre dowody wiążące spójność i replikację DNA pochodzą z wielu interakcji Eco1. Eco1 oddziałuje z PCNA, podjednostkami RFC i helikazą DNA, Chl1, fizycznie lub genetycznie. Badania wykazały również białka związane z replikacją, które wpływają na kohezję niezależnie od Eco1. Podjednostka Ctf18 specyficznego dla kohezji RFC może wchodzić w interakcje z podjednostkami kohezyny Smc1 i Scc1.
Model przełącznika polimerazy
Chociaż białko zostało pierwotnie zidentyfikowane jako zbędny czynnik topoizomerazy I, później wykazano, że produkt genu TRF4 jest wymagany do spójności chromatyd siostrzanych. Wang i in . wykazali, że Trf4 jest w rzeczywistości polimerazą DNA , którą nazwali polimerazą κ. Ta polimeraza jest również określana jako polimeraza σ. W tym samym artykule, w którym zidentyfikowali Pol σ, Wang i in . zasugerował model przełączania polimerazy w celu ustalenia spójności. W tym modelu, po dotarciu do CAR, komórka przełącza polimerazy DNA w mechanizmie podobnym do tego stosowanego w fragmentów Okazaki . Komórka odciąża procesową polimerazę replikacyjną i zamiast tego wykorzystuje Pol σ do syntezy regionu CAR. Sugerowano, że RFC specyficzny dla spójności może działać w rozładowywaniu lub ładowaniu PNCA i polimeraz w takim przełączniku.
Wiąże się ze szlakami uszkodzeń DNA
W przypadkach uszkodzeń DNA obserwowano zmiany we wzorcach spójności chromatyd siostrzanych. Kohezyna jest wymagana do naprawy pęknięć podwójnej nici DNA (DSB). Jeden mechanizm naprawy DSB, rekombinacja homologiczna (HR), wymaga obecności siostrzanej chromatydy do naprawy w miejscu pęknięcia. Zatem możliwe jest, że do tego procesu wymagana jest spójność, ponieważ zapewnia to, że siostrzane chromatydy są fizycznie wystarczająco blisko, aby przejść HR. Uszkodzenie DNA może prowadzić do obciążenia kohezyną w miejscach innych niż CAR i ustanowienia spójności w tych miejscach nawet podczas fazy G2. W obecności promieniowania jonizującego (IR) podjednostka Smc1 kohezyny jest fosforylowana przez zmutowaną kinazę ataksja-teleangiektazja (ATM). ATM jest kluczową kinazą w punkcie kontrolnym uszkodzenia DNA. Wady kohezji mogą zwiększać niestabilność genomu , co jest zgodne z powiązaniami między kohezją a szlakami uszkodzeń DNA.
U bakterii Escherichia coli naprawa uszkodzeń DNA wywołanych przez mitomycynę C zachodzi w procesie kohezji chromatyd siostrzanych z udziałem białka RecN. Wydaje się , że interakcja siostrzanych chromatyd, po której następuje rekombinacja homologiczna , znacząco przyczynia się do naprawy uszkodzeń dwuniciowych DNA.
Znaczenie medyczne
Wady w ustanowieniu spójności chromatyd siostrzanych mają poważne konsekwencje dla komórki i dlatego są powiązane z wieloma ludzkimi chorobami. Brak prawidłowego ustalenia spójności lub niewłaściwa utrata spójności może prowadzić do błędnej segregacji chromosomów podczas mitozy, co skutkuje aneuploidią . Utrata ludzkich homologów rdzeniowych białek kohezyny lub Eco1, Pds5, Wapl, Sororin lub Scc2 została powiązana z rakiem . Mutacje wpływające na kohezję i tworzenie się kohezji są również odpowiedzialne za zespół Cornelii de Lange i zespół Robertsa . Choroby wynikające z defektów kohezyny lub innych białek zaangażowanych w spójność chromatyd siostrzanych są określane jako kohezynopatie.
Zespół Cornelii de Lange
Zmiany genetyczne w genach NIPBL , SMC1A , SMC3 , RAD21 i HDAC8 są związane z zespołem Cornelii de Lange. Białka kodowane przez te geny działają w ścieżce spójności chromosomów, która jest wykorzystywana do spójności chromatyd siostrzanych podczas mitozy , naprawy DNA , segregacji chromosomów i regulacji ekspresji genów rozwojowych. Wady tych funkcji prawdopodobnie leżą u podstaw wielu cech zespołu Cornelii de Lang.