Кіріспе
Ұяшық бөліну кезінде бауырлас хроматидтердің ажырауын реттейтін ақуыз кешені – когезин. Когезин бауырлас хроматидтердің байланысын, гомологты рекомбинацияны және ДНК-ның иілуін қамтамасыз ететін ақуыз кешені. Когезин SMC3, SMC1, SCC1 және SCC3 (адамда SA1 немесе SA2) құрамынан тұрады. ДНК көшірмесінен кейін когезин анафазаға дейін бауырлас хроматидтерді бірге ұстап тұрады, ал когезиннің алынуы бауырлас хроматидтердің ажырауына алып келеді. Бұл кешен сақина тәрізді құрылымды құрайды және бауырлас хроматидтер когезин сақинасының ішінде қамалып, бірге ұсталады деп саналады. Когезин – конденсин, MukBEF және SMC ScpAB сияқты SMC отбасының ақуыз кешендерінің мүшесі. Когезин 1997 жылы Дуглас Кошленд және Ким Насмит есімді ғалымдар тәжірибелік ашытқы (Saccharomyces cerevisiae) жасушаларында жеке-жеке ашқан.
the protein complex
Cohesin is a protein complex that mediates sister chromatid cohesion, homologous recombination, and DNA looping. Cohesin is formed of SMC3, SMC1, SCC1 and SCC3 (SA1 or SA2 in humans). Cohesin holds sister chromatids together after DNA replication until anaphase when removal of cohesin leads to separation of sister chromatids. The complex forms a ring like structure and it is believed that sister chromatids are held together by entrapment inside the cohesin ring. Cohesin is a member of the SMC family of protein complexes which includes Condensin, MukBEF and SMC ScpAB. Cohesin was separately discovered in budding yeast (Saccharomyces cerevisiae) both by Douglas Koshland and Kim Nasmyth in 1997.
Құрылымы
Кохезин – SMC1, SMC3, RAD21 және SCC3 (SA1 немесе SA2) құрамындағы көп суббұрыш белдік кешені. SMC1 және SMC3 хромосомалардың құрылымдық сақталуы (SMC) отбасының мүшелері болып табылады. SMC ақуыздарында екі негізгі құрылымдық ерекшелік бар: АТФ-мен байланысатын, АТФ-аза активтілігіне ие ‘бас’ домен (N және C терминалдардың өзара әрекеттесуінен қалыптасады) және SMC-ді димеризациялауға мүмкіндік беретін икемді домен. Бас және икемді домендер ұзын антипаралельді спиральдар арқылы байланысқан. Димер V тәрізді пішінде, икемді домендер арқылы байланысқан. RAD21-дің N терминалды доменінде SMC3 спиралімен бірге үш спиральды шоғыр құрайтын екі α-спираль бар. RAD21-дің орталық аймағы көбінесе құрылымсыз деп есептеледі, бірақ когезиннің реттеушілері үшін бірнеше байланыс орындары бар. Бұл SA1 немесе SA2 үшін байланыс орны, сепаразамен кесуге арналған тану мотивтері және PDS5A, PDS5B немесе NIPBL-мен бәсекелес байланысқа түсетін аймақты қамтиды. RAD21-дің C терминалды домені Smc1 бас доменіндегі екі β-параққа байланысатын қанатты спираль құрайды. RAD21 SMC ақуыздарына байланысқаннан кейін SCC3 де RAD21-мен байланыса алады. RAD21 SMC1 және SMC3 екеуіне де байланысқанда, когезин кешені жабық сақина тәрізді құрылымды құрайды. SMC суббұрыштары мен RAD21 арасындағы интерфейстер ДНК-ның когезин сақинасына кіруіне және одан шығуына мүмкіндік беру үшін ашылуы мүмкін. Көптеген суббұрыштары мен олардың интерфейстерінің құрылымы белгілі болса да, толық когезин кешенінің құрылымы әлі шешілмеген. Когезиннің конформациясы туралы біліміміз көбінесе электронды микроскопиядан алынған. Бұл зерттеулер когезиннің сақиналар, созылған таяқшалар және соңғы кезде бүктеліп қалған конформациялар сияқты көптеген пішіндерде кездесетінін көрсетті. Жасуша ішінде қай конформация басым екені және олардың кейбіреулері үлгіні дайындау нәтижесінде туындайтыны әлі белгісіз.
Қымбатты хроматидтің бірігуінің ажырауы
Cdc20-ға (APC/C cdc20) байланысты анафазаны ынталандырушы кешен Securin-ді (анафаза тежегішін) протеазомамен ыдырату үшін белгілейді. Секурин анафазада, APC/C cdc20-мен шақырылған ыдыраудан кейін кесіледі және сепаразаны (секуринмен байланысқанда тежелген протеазаны) клейзин суббірлігін кесуге мүмкіндік береді. Альфа-клейзин когезин кешенімен байланысты, SMC 3 және SMC 1 екеуін байланыстырады, нақты клейзин митоз бен мейоз арасында (Scc1 және Rec8) өзгереді, ал оның кесілуі хромосомалардан когезиннің алынуына әкеледі. Бауырлас хроматидтердің ажырауы анафазаның басталуын анықтайды, ол жасушаның әр полюсінде екі идентичный хромосома жиынтығын құрайды (телофаза). Содан кейін екі қыз жасуша бөлінеді, және олардың әрқайсысында жаңа клеткалық циклдің жаңа кезеңі басталады, G0 сатысында. Жасушалар бөлінуге дайын болған кезде, яғни жасуша мөлшері жеткілікті үлкен болғандықтан немесе олар тиісті стимулды алғандықтан, олар жасуша циклінің G1 сатысына кіру механизмін іске қосады және S (синтез) фазасында көптеген органеллаларды, оның ішінде олардың центросомаларын көбейтіп жасайды. Сондықтан жасушаның бөліну процесі аяқталғанда, әрбір қыз жасуша толық органелла жиынтығын алады. Сонымен қатар, S фазасында барлық жасушалар ДНК-ны өте дәл көшіруі керек, бұл процесс ДНК репликациясы деп аталады. ДНК репликациясы аяқталғаннан кейін эукариоттарда ДНК молекуласы тығыздалып, митоздық хромосомаларды қалыптастыру үшін конденсацияланады, олардың әрқайсысы екі бауырлас хроматидтен тұрады, олар олардың арасындағы когезияны орнату арқылы бірге ұсталады; әрбір хроматид - толық ДНК молекуласы, ол бөлінетін жасушаның екі центросомасының біріне микротүбұлақтар арқылы бекітілген, ол жасушаның қарама-қарсы полюстерінде орналасқан. Бауырлас хроматидтердің ерте ажырауын болдырмау үшін, APC/C әр түрлі молекулаларға байланысқан белсенді емес күйде сақталады, олар тікенекті құрастыру бақылау пункты деп аталатын күрделі механизмнің бөлігі болып табылады.
Қымбатты хроматидтердің бірігу механизмі
Когезин сақинасының бауырлас хроматидтерді қалай біріктіретіндігі белгісіз. Екі мүмкін сценарий бар: когезиннің суббірліктері әрбір бауырлас хроматидке байланысып, екеуі арасында көпір құрайды. Когезиннің сақина тәрізді құрылымы болғандықтан, ол екі бауырлас хроматидті де қоршап алады. Қазіргі деректер екінші сценарийдің ең ықтимал екенін көрсетеді. Бауырлас хроматидтердің бірігуіне қажетті Smc3 және Scc1 сияқты ақуыздар когезин мен ДНК арасындағы ковалентті байланыстардың қалыптасуын реттемейді, яғни ДНК-ның өзара әрекеттесуі ғана бірігу үшін жеткіліксіз. Бұл сақина тәрізді құрылымның когезиннің функциясы үшін маңызды екенін көрсетеді. Алғашқы зерттеулер когезиннің ДНК-ны тұтқындап алудың әртүрлі жолдарын ұсынды, соның ішінде екі гомологты бірге ұстайтын мономер және екі өзара байланысқан когезин кешендерінің әрқайсысы бір бауырлас хроматидті ұстайтын «қол манжеті» моделі. Кейбір зерттеулер «қол манжеті» моделінің идеясын қолдайды және оның хроматинды мономер ретінде тұтқындап алатыны қабылданған. Сақина гипотезасы дұрыс сияқты көрінсе де, бауырлас хроматидтерді біріктіру үшін қажетті сақиналар саны туралы сұрақтар әлі де бар. Бір мүмкіндік – екі хроматидті бір сақина қоршап тұр. Тағы бір мүмкіндік – әр сақина бір бауырлас хроматидті қоршап тұратын димердің құрылуы. Екі сақина бір-бірімен екі бауырлас хроматидті біріктіретін көпір арқылы байланысады. Бұл суббірліктердің топологиясы мен құрылымы ашылмалы ашытқыда жақсы сипатталған, бірақ осы ақуыздардың тізбектік сақталуы және биохимиялық және электрондық микроскопиялық байқаулар басқа түрлердегі когезин кешендерінің құрылымы өте ұқсас екенін көрсетеді. Когезин кешені S фазасының бастапқы кезеңдерінде қалыптасады. Комплекстер ДНК репликациясы басталар алдында хромосомалармен байланысады. Жасушалар ДНК-ны репликациялай бастағаннан кейін когезин сақиналары жабылып, бауырлас хроматидтерді біріктіреді. Басқа модельде хроматин циклдерінің экструзиясы транскрипциямен туындаған суперкоилдену арқылы итергізіледі, соның салдарынан когезин тез орналасады және циклдер ақылға қонымды жылдамдықпен және дұрыс бағытта өседі. Бұған қоса, суперкоилденумен итергізілетін цикл экструзиясы механизмі, CTCF байланыс орындарының конвергентті орналасуымен шектелінген топологиялық байланысу домендерінің (TAD) CTCF байланыс орындарының дивергентті орналасуымен шектелінген TAD-ларға қарағанда хроматин циклдерінің тұрақтырақ болатынын ұсынған бұрынғы түсіндірмелермен сәйкес келеді. Бұл модельде суперкоилдену энхансер-промотор байланыстарын да ынталандырады және eRNA транскрипциясы белгілі бір TAD-да мРНК транскрипциясын белсендіре алатын суперкоилденудің алғашқы толқынын жібереді деп ұсынылады. Бірнеше когезин сақиналары AT-бай ДНК тізбектері бар хромосомалардың қолдарында табылады, бұл ДНК тізбегінің когезинмен байланысудың тәуелсіз факторы болуы мүмкін екенін көрсетеді.
Cohesin subunits bind to each sister chromatid and form a bridge between the two. Since cohesin has a ring structure, it is able to encircle both sister chromatids. Current evidence suggests that the second scenario is the most likely. Proteins that are essential for sister chromatid cohesion, such as Smc3 and Scc1, do not regulate the formation of covalent bonds between cohesin and DNA, indicating that DNA interaction is not sufficient for cohesion. This shows that the ring structure is important for cohesin's function. Early studies suggested various ways in which cohesin may entrap DNA, including as a monomer that holds both homologues together, and a "hand cuff" model where two intertwining cohesin complexes each hold one sister chromatid. While some studies support the idea of a hand cuff model, and is generally considered to entrap chromatin as a monomer. Even though the ring hypothesis appears to be valid, there are still questions about the number of rings required to hold sister chromatids together. One possibility is that one ring surrounds the two chromatids. Another possibility involves the creation of a dimer where each ring surrounds one sister chromatid. The two rings are connected to each other through formation of a bridge that holds the two sister chromatids together. The topology and structure of these subunits has been best characterized in budding yeast, but the sequence conservation of these proteins and biochemical and electron microscopic observations imply that cohesin complexes in other species are very similar in their structure,
The cohesin complex is established during the initial stages of S phase. The complexes associate with chromosomes before DNA replication occurs. Once cells start replicating their DNA, cohesin rings close and link the sister chromatids together. In another model, chromatin loop extrusion is pushed by transcription generated supercoiling ensuring also that cohesin relocalizes quickly and loops grow with reasonable speed and in a good direction. In addition, the supercoiling driven loop extrusion mechanism is consistent with earlier explanations proposing why topologically associating domains (TADs) flanked by convergent CTCF binding sites form more stable chromatin loops than TADs flanked by divergent CTCF binding sites. In this model, the supercoiling also stimulates enhancer promoter contacts and it is proposed that transcription of eRNA sends the first wave of supercoiling that can activate mRNA transcription in a given TAD. A few cohesin rings are found in chromosome arms that have AT rich DNA sequences indicating that DNA sequence may be an independent factor of cohesin binding.
Когезин және CTCF
Хроматиннің көптеген циклдері так аталатын цикл экструзиясы механизмі арқылы қалыптасады, онда когезин сақинасы екі ДНК қос спираль бойымен белсенді қозғалып, олардың біреуін екіншісіне қатысты жылжытады. Осылайша, цикл кішірейе де, үлкее де мүмкін. Когезин архитектуралық хроматин ақуызы CTCF-ке кездескенде цикл экструзиясы тоқтатылады. Когезинді тоқтату үшін CTCF орнының дұрыс бағытта болуы қажет.
Мейоз
Когезин ақуыздары SMC1β, SMC3, REC8 және STAG3 адам ооциттеріндегі мейоз процесі бойында бауырлас хроматидтердің когезиясына қатысатын сияқты. SMC1β, REC8 және STAG3 ақуыздары мейозға тән когезиндер. STAG3 ақуызы әйелдер мейозы үшін өте маңызды болып көрінеді. Stag3 геніндегі гомозиготтақ сүйірлеу мутациясы ерте жасынан басталатын аналық без жеткіліксіздігімен ауырған, жақын туысқан отбасыларда анықталды. Сондай-ақ, STAG3 жетіспейтін аналық тышқандар сүйексіз болады, ал олардың ұрықтық ооциттері 1-профазаның басында тоқтап қалады.