Сплоченность сестринских хроматид относится к процессу, посредством которого сестринские хроматиды спариваются и удерживаются вместе в течение определенных фаз клеточного цикла . Установление сплоченности сестринских хроматид — это процесс, посредством которого хроматин -ассоциированный белок когезин становится компетентным физически связывать сестринские хроматиды. В целом, сплоченность устанавливается во время фазы S , когда ДНК реплицируется, и теряется, когда хромосомы расходятся во время митоза и мейоза . Некоторые исследования предполагают, что сплоченность помогает выравнивать кинетохоры во время митоза, заставляя кинетохоры быть обращенными к противоположным полюсам клетки. [1]
Когезин сначала связывается с хромосомами во время фазы G1 . Когезиновое кольцо состоит из двух белков SMC (структурное поддержание хромосом) и двух дополнительных белков Scc. Когезин может изначально взаимодействовать с хромосомами через домены АТФазы белков SMC. У дрожжей загрузка когезина на 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 всей длине хромосом. CAR представляют собой области из приблизительно 500-800 пар оснований, расположенные с интервалом приблизительно в 9 килобаз вдоль хромосом. У дрожжей CAR, как правило, богаты парами оснований аденин - тимин . CAR не зависят от точек начала репликации . [1] [3]
Установление сцепления относится к процессу, посредством которого когезин, ассоциированный с хроматином, становится компетентным в сцеплении. Хроматиновая ассоциация когезина недостаточна для сцепления. Когезин должен пройти последующую модификацию («установление»), чтобы быть способным физически удерживать сестринские хромосомы вместе. [4] Хотя когезин может связываться с хроматином на ранних стадиях клеточного цикла, сцепление устанавливается во время фазы S. Ранние данные, предполагающие, что фаза S имеет решающее значение для сцепления, основывались на том факте, что после фазы S сестринские хроматиды всегда находятся в связанном состоянии. Связывание установления с репликацией ДНК позволяет клетке устанавливать сцепление, как только образуются сестринские хроматиды. Это решает проблему того, как клетка может правильно идентифицировать и спаривать сестринские хроматиды, гарантируя, что сестринские хроматиды никогда не будут разделены после того, как произошла репликация. [1]
Ген Eco1/Ctf7 (дрожжи) был одним из первых генов, который был идентифицирован как специально необходимый для установления сплоченности. Eco1 должен присутствовать в S-фазе для установления сплоченности, но его постоянное присутствие не требуется для поддержания сплоченности. [1] Eco1 взаимодействует со многими белками, непосредственно участвующими в репликации ДНК, включая зажим процессивности PCNA , субъединицы загрузчика зажима 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 того, как когезин удален из хроматина, Smc3 деацетилируется Hos1. [5]
Ген Pds5 также был идентифицирован в дрожжах как необходимый для установления сплоченности. У людей ген имеет два гомолога, Pds5A и Pds5B . Pds5 взаимодействует с когезином, ассоциированным с хроматином. Pds5 не является строго специфичным для установления, так как Pds5 необходим для поддержания сплоченности во время фаз G2 и M. Потеря Pds5 сводит на нет необходимость в Eco1. Таким образом, Pds5 часто называют фактором «анти-установления». [4]
Помимо взаимодействия с когезином, Pds5 также взаимодействует с Wapl (подобно крыльям врозь) , другим белком, который участвует в регуляции сплоченности сестринских хроматид. Человеческий Wapl связывает когезин через субъединицы когезина Scc (у людей Scc1 и SA1). Wapl был связан с потерей когезина из хроматид во время фазы M. [6] Wapl взаимодействует с Pds5 через мотивы последовательности фенилаланин - глицин - фенилаланин (FGF). [7]
Одна из моделей установления сплоченности предполагает, что установление опосредовано заменой Wapl в комплексе Wapl-Pds5-когезин 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 когезином во время G1, перед установлением. Во время фазы S Eco1 (Esco1/ Esco2 у людей) ацетилирует Smc3. Это приводит к привлечению Sororin. Затем Sororin заменяет Wapl в комплексе Pds5-когезин. Этот новый комплекс является установленным, компетентным в сплочении состоянием когезина. При вступлении в митоз Sororin фосфорилируется и снова заменяется Wapl, что приводит к потере сплоченности. [8] Sororin также обладает связывающей активностью хроматина независимо от его способности опосредовать сплоченность. [9]
Белки когезии SMC1ß , SMC3 , REC8 и STAG3, по-видимому, участвуют в когезии сестринских хроматид на протяжении всего мейотического процесса в ооцитах человека . [10] SMC1ß, REC8 и STAG3 являются специфичными для мейоза белками когезина . Белок STAG3 необходим для женского мейоза и фертильности . [11] Когезины участвуют в мейотической рекомбинации . [12]
Растущее количество доказательств связывает установление сплоченности с репликацией ДНК. Как упоминалось выше, функциональное сопряжение этих двух процессов избавляет клетку от необходимости позже различать, какие хромосомы являются сестрами, гарантируя, что сестринские хроматиды никогда не будут разделены после репликации. [1]
Другая важная связь между репликацией ДНК и путями когезии осуществляется через фактор репликации C (RFC). Этот комплекс, «загрузчик зажима», отвечает за загрузку PCNA на ДНК. Альтернативная форма RFC необходима для когезии сестринского хроматина. Эта альтернативная форма состоит из основных белков RFC RFC2 , RFC3 , RFC4 и RFC5 , но заменяет белок RFC1 на специфические для когезии белки Ctf8 , Ctf18 и Dcc1 . Похожий функционально-специфический альтернативный RFC (заменяющий RFC1 на Rad24) играет роль в контрольной точке повреждения ДНК. Наличие альтернативного RFC в пути когезии можно интерпретировать как доказательство в поддержку модели переключения полимеразы для установления когезии. [13] Как и некогезионный RFC, когезионный RFC загружает PCNA на ДНК. [14]
Некоторые доказательства связи когезии и репликации ДНК получены из множественных взаимодействий Eco1. Eco1 взаимодействует с PCNA, субъединицами RFC и ДНК-хеликазой Chl1, как физически, так и генетически. [4] [15] Исследования также обнаружили связанные с репликацией белки, которые влияют на когезию независимо от Eco1. [16] Субъединица Ctf18 специфического для когезии RFC может взаимодействовать с субъединицами когезина Smc1 и Scc1. [14]
Хотя изначально белок был идентифицирован как избыточный фактор топоизомеразы I, позже было показано, что продукт гена TRF4 необходим для сцепления сестринских хроматид. Ван и др . показали, что Trf4 на самом деле является ДНК-полимеразой , которую они назвали Полимеразой κ. [17] Эту полимеразу также называют Полимеразой σ. В той же статье, в которой они идентифицировали Pol σ, Ван и др . предложили модель переключения полимеразы для установления сцепления. [17] В этой модели при достижении CAR клетка переключает ДНК-полимеразы по механизму, аналогичному тому, который используется в синтезе фрагментов Оказаки . Клетка выгружает полимеразу процессивной репликации и вместо этого использует Pol σ для синтеза области CAR. Было высказано предположение, что специфичный для сцепления RFC может функционировать при выгрузке или загрузке PNCA и полимераз в таком переключении. [1]
Изменения в моделях сцепления сестринских хроматид наблюдались в случаях повреждения ДНК. Когезин необходим для восстановления двухцепочечных разрывов ДНК (DSB). Один из механизмов восстановления DSB, гомологичная рекомбинация (HR), требует присутствия сестринской хроматиды для восстановления в месте разрыва. Таким образом, возможно, что сцепление необходимо для этого процесса, поскольку оно гарантирует, что сестринские хроматиды физически достаточно близки для прохождения HR. Повреждение ДНК может привести к загрузке когезина на не-CAR-сайты и установлению сцепления на этих сайтах даже во время фазы G2. В присутствии ионизирующего излучения (IR) субъединица Smc1 когезина фосфорилируется киназой ataxia telangiectasia mutated (ATM). [18] ATM является ключевой киназой в контрольной точке повреждения ДНК. Дефекты сплоченности могут увеличить нестабильность генома [19] , что согласуется со связями между сплоченностью и путями повреждения ДНК.
У бактерии Escherichia coli восстановление повреждений ДНК , вызванных митомицином С, происходит посредством процесса когезии сестринских хроматид с участием белка RecN. [20] Взаимодействие сестринских хроматид, за которым следует гомологичная рекомбинация, по-видимому, вносит значительный вклад в восстановление повреждений двухцепочечной ДНК.
Дефекты в установлении сцепления сестринских хроматид имеют серьезные последствия для клетки и, следовательно, связаны со многими человеческими заболеваниями. Неправильное установление сцепления или несоответствующая потеря сцепления могут 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 была связана с раком . Мутации, влияющие на сцепление и установление сцепления, также ответственны за синдром Корнелии де Ланге и синдром Робертса . Заболевания, возникающие из-за дефектов когезина или других белков, участвующих в сцеплении 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, функционируют в пути сцепления хромосом, который используется для сцепления сестринских хроматид во время митоза , репарации ДНК , сегрегации хромосом и регуляции экспрессии генов развития. Дефекты этих функций, вероятно, лежат в основе многих признаков синдрома Корнелии де Ланге.