Введение

Белковый комплекс

Конденсины — это крупные белковые комплексы, играющие центральную роль в сборке и разделении хромосом во время митоза и мейоза (Рисунок 1). Их субъединицы были первоначально идентифицированы как основные компоненты митотических хромосом, собранных в экстрактах яиц лягушки Xenopus.

Типы эукариотов

Многие эукариотические клетки обладают двумя различными типами комплексов конденсина, известных как конденсин I и конденсин II, каждый из которых состоит из пяти субъединиц (рисунок 2). Конденсины I и II имеют одну и ту же пару основных субъединиц, SMC2 и SMC4, которые принадлежат к большому семейству хромосомных АТФаз, известных как белки SMC (SMC означает Structural Maintenance of Chromosomes – структурное поддержание хромосом). Каждый из комплексов содержит отдельный набор не-SMC регуляторных субъединиц (субъединицу клейзина и пару субъединиц с повторами HEAT). Оба комплекса имеют большую молекулярную массу – 650-700 кДа.

| Комплекс | Субъединица | Классификация |
|---|---|---|
| | | Позвоночные | *D. melanogaster* | *C. elegans* | *S. cerevisiae* | *S. pombe* | *A. thaliana* | *C. merolae* | *T. thermophila* |
| конденсин I & II | SMC2 | SMC АТФаза | CAP E/SMC2 | SMC2 | MIX1 | Smc2 | Cut14 | CAP E1 & E2 | SMC2 | Scm2 |
| конденсин I & II | SMC4 | SMC АТФаза | CAP C/SMC4 | SMC4/Gluon | SMC4 | Smc4 | Cut3 | CAP C | SMC4 | Smc4 |
| конденсин I | CAP D2 | HEAT IA | CAP D2 | CAP D2 | DPY28 | Ycs4 | Cnd1 | CAB72176 | CAP D2 | Cpd1 & 2 |
| конденсин I | CAP G | HEAT IB | CAP G | CAP G | CAP G1 | Ycg1 | Cnd3 | BAB08309 | CAP G | Cpg1 |
| конденсин I | CAP H | клейзин | CAP H | CAP H/Barren | DPY26 | Brn1 | Cnd2 | AAC25941 | CAP H | Cph1,2,3,4 & 5 |
| конденсин II | CAP D3 | HEAT IIA | CAP D3 | CAP D3 | HCP6 | - | At4g15890.1 | CAP D3 | - |
| конденсин II | CAP G2 | HEAT IIB | CAP G2 | - | CAP G2 | - | - | CAP G2/HEB1 | CAP G2 | - |
| конденсин II | CAP H2 | клейзин | CAP H2 | CAP H2 | KLE2 | - | - | CAP H2/HEB2 | CAP H2 | - |
| конденсин IDC | - | вариант SMC4 | - | DPY27 | - | - | - | - | - |

Основные субъединицы конденсинов (SMC2 и SMC4) консервативны у всех изученных на сегодняшний день эукариотических видов. Не-SMC субъединицы, уникальные для конденсина I, также консервативны среди эукариотов, но встречаемость не-SMC субъединиц, уникальных для конденсина II, сильно варьирует между видами. Например, у плодовой мушки *Drosophila melanogaster* отсутствует ген субъединицы CAP G2 конденсина II. Другим видам насекомых часто не хватает генов для CAP D3 и/или CAP H, что указывает на то, что не-SMC субъединицы, уникальные для конденсина II, подвергались сильному отбору в ходе эволюции насекомых. Нематода *Caenorhabditis elegans* обладает как конденсинами I, так и II. Однако этот вид уникален тем, что имеет третий комплекс (тесно связанный с конденсином I), который участвует в регуляции генов на уровне хромосом, то есть в компенсации дозировки. В этом комплексе, известном как конденсин IDC, подлинная субъединица SMC4 заменена ее вариантом DPY27 (рисунок 2). Некоторые виды, такие как грибы (например, дрожжи *Saccharomyces cerevisiae* и *Schizosaccharomyces pombe*), лишены всех регуляторных субъединиц, уникальных для конденсина II. С другой стороны, одноклеточная, примитивная красная водоросль *Cyanidioschyzon merolae*, размер генома которой сопоставим с размером генома дрожжей, имеет как конденсины I, так и II. Таким образом, нет очевидной связи между наличием конденсина II и размером геномов эукариотов. Ресничный инфузорий *Tetrahymena thermophila* имеет только конденсин I. Тем не менее, для двух его регуляторных субъединиц (CAP D2 и CAP H) существует несколько паралогов, и некоторые из них специфически локализуются либо в макронуклеусе (ответственном за экспрессию генов), либо в микронуклеусе (ответственном за размножение). Таким образом, у этого вида есть несколько комплексов конденсина I, которые имеют разные регуляторные субъединицы и демонстрируют различную ядерную локализацию. Это уникальное свойство, которое не встречается у других видов.

Прокариотические типы

Прокариотические виды также имеют комплексы, подобные кондензину, которые играют важную роль в организации и сегрегации хромосомы (нуклеоида). Прокариотические конденсины можно классифицировать на два типа: SMC ScpAB и MukBEF. Многие эубактериальные и археальные виды содержат SMC ScpAB, в то время как подгруппа эубактерий (известная как гаммапротеобактерии), включая Escherichia coli, содержит MukBEF. ScpA и MukF принадлежат к семейству белков, называемых "клизинами".

Комплекс | Субъединица | Классификация | B. subtilis | Caulobacter | E. coli
------- | -------- | -------- | -------- | -------- | --------
SMC ScpAB | SMC | ATPase | SMC/BsSMC | SMC | SMC ScpAB
| ScpA | kleisin | ScpA | ScpA |
| ScpB | kite | ScpB | ScpB |
MukBEF | MukB | ATPase | MukB | MukB | MukBEF
| MukE | kite | | MukE | MukBEF
| MukF | kleisin | | MukF | MukBEF

Несмотря на высокую дивергентность первичных структур соответствующих субъединиц между SMC ScpAB и MukBEF, обоснованно полагать, что оба комплекса выполняют схожие, если не идентичные функции в организации и динамике прокариотической хромосомы, основываясь на их молекулярной архитектуре и дефектных клеточных фенотипах. Поэтому оба комплекса часто называют прокариотическими (или бактериальными) конденсинами. Недавние исследования сообщают о существовании третьего комплекса, связанного с MukBEF (обозначаемого как MksBEF), у некоторых видов бактерий.

Молекулярные структуры

Димеры SMC, выступающие в качестве основных субъединиц конденсинов, демонстрируют весьма характерную V-образную форму, каждая "рука" которой состоит из антипараллельных спиральных катушек (рис. 3; подробности см. в описании белков SMC). Длина каждой спиральной катушки достигает ~50 нм, что соответствует длине ~150 пар оснований двухцепочечной ДНК (dsDNA). В эукариотических комплексах конденсина I и II субъединица клейзина соединяет два головных домена димера SMC и связывается с двумя субъединицами, содержащими HEAT-повторы (рис. 1). Ранние исследования позволили установить структуру фрагментов бактериальных конденсинов, таких как MukBEF и SMC ScpA. В эукариотических комплексах были определены структуры нескольких субкомплексов и субдоменов, включая шарнирный и "рукавовый" домены димера SMC2-SMC4, субкомплекс CAP-G(ycg1)/CAP-H(brn1) и субкомплекс CAP-D2(ycs4)/CAP-H(brn1). С другой стороны, атомно-силовая микроскопия с высокой скоростью показала, что "руки" димера SMC гораздо более гибкие, чем предполагалось ранее.

Молекулярная активность

Кондензин I, очищенный из экстрактов яиц Xenopus, является ДНК-стимулируемой АТФазой и обладает способностью вводить положительное суперспиральное напряжение в двухцепочечную ДНК (дсДНК) в зависимости от гидролиза АТФ (активность позитивного суперспиралирования). Аналогичная активность была обнаружена в конденсинах других организмов. Активность позитивного суперспиралирования активируется in vitro фосфорилированием Cdk1, что позволяет предположить, что это, вероятно, одна из физиологических активностей, непосредственно участвующих в сборке митотических хромосом. Предполагается, что эта активность кондензина I способствует компактизации ДНК и стимулирует разрешение сестринских хроматид, опосредованное топоизомеразой II. Ранние эксперименты с отдельными молекулами ДНК также продемонстрировали в реальном времени, что кондензин I способен компактизировать ДНК в зависимости от гидролиза АТФ. Недавние эксперименты с отдельными молекулами показали, что кондензин I дрожжей рода Saccharomyces cerevisiae способен транслоцироваться вдоль дсДНК (моторная активность) и "выталкивать" петли ДНК (активность выталкивания петель) в зависимости от гидролиза АТФ. В последних экспериментах активность отдельных комплексов кондензина на ДНК была визуализирована с помощью флуоресцентной микроскопии в реальном времени, что показало, что кондензин I действительно является быстрым двигателем, выталкивающим петли, и что один комплекс кондензина I может выталкивать 1500 пар оснований ДНК в секунду строго в зависимости от АТФ. Было предложено, что кондензин I закрепляет ДНК между субъединицами Ycg1 и Brn1.

Неизвестно, как конденсины могут действовать на нуклеосомную ДНК. Недавняя разработка системы реконституции выявила гистоновый шаперон FACT как важный компонент сборки хромосом, опосредованной кондензином I in vitro, что дает важную подсказку в решении этой проблемы. Также было показано, что конденсины могут собирать структуры, подобные хромосомам, в безклеточных экстрактах даже в условиях, когда сборка нуклеосом значительно подавлена. Это наблюдение указывает на то, что конденсины могут работать, по крайней мере частично, на ДНК, не связанной с нуклеосомами, в физиологических условиях. Насколько схожи и насколько различны молекулярные активности кондензина I и кондензина II? Оба содержат две субъединицы SMC, но каждый имеет три уникальные субъединицы, не относящиеся к SMC (рисунок 2). Тонко настроенный баланс между действиями этих субъединиц, не относящихся к SMC, может определять различия в скорости выталкивания петель и активности сборки митотических хромосом двух комплексов. Вводя различные мутации, можно превратить кондензин I в комплекс с активностью, подобной кондензину II, и наоборот. посредством стохастических попарных контактов и комбинации формирования петель и межконденсинных притяжений.

Митоз

В клетках человеческих тканевых культур два комплекса кондензина регулируются по-разному в течение митотического клеточного цикла (рис. 4). Кондензин II присутствует в ядре клетки во время интерфазы и участвует в ранней стадии конденсации хромосом в ядре профазы. С другой стороны, кондензин I находится в цитоплазме во время интерфазы и получает доступ к хромосомам только после разрушения ядерной оболочки (NEBD) в конце профазы. Во время прометафазы и метафазы кондензин I и кондензин II координированно действуют для сборки хромосом в виде стержней, в которых две сестринские хроматиды полностью разделены. Такая дифференциальная динамика двух комплексов наблюдается в экстрактах яиц Ксенопуса, яйцеклетках мыши и нервных стволовых клетках, что указывает на то, что это часть фундаментального регуляторного механизма, консервативного для различных организмов и типов клеток. Вероятнее всего, этот механизм обеспечивает последовательное действие двух комплексов, а именно, сначала кондензина II, а затем конденсина I. На метафазных хромосомах конденсины I и II обогащены в центральной оси, не перекрываясь (рис. 5). Эксперименты по истощению *in vivo* и иммунодеплеции в экстрактах яиц Ксенопуса.

Относительный вклад кондензинов I и II в митоз варьируется у разных видов эукариот. Например, каждый из кондензинов I и II играет важную роль в эмбриональном развитии мышей. Любопытно, что в ранних эмбрионах *C. elegans* кондензин II играет доминирующую роль над кондензином I. Влияние дефицита кондензина на конформацию хромосом было изучено на почкующихся дрожжах, дрожжах деления и клетках курицы DT40. Результаты этих исследований убедительно подтверждают, что кондензины играют ключевую роль в сборке митотических хромосом и что кондензин I и II выполняют различные функции в этом процессе. Более того, количественный анализ изображений позволяет исследователям подсчитывать количество комплексов кондензина, присутствующих на метафазных хромосомах человека.

Мейоз

Конденсины также играют важную роль в сборке хромосом и сегрегации во время мейоза. Генетические исследования были проведены на *S. cerevisiae*, *D. melanogaster* и *C. elegans*. У мышей требования к субединицам конденсина в мейозе изучались в экспериментах по блокированию, опосредованном антителами. Как было показано в митозе, а также при кластеризации генов тРНК. У шизосахаромицетов конденсин I участвует в регуляции репликативного чекпоинта и кластеризации генов, транскрибируемых РНК-полимеразой III. У *C. elegans* третий комплекс конденсина (конденсин IDC), связанный с конденсином I, регулирует высшую организацию X-хромосом как основной регулятор компенсации дозы. У *D. melanogaster* субединицы конденсина II способствуют диссоциации политенных хромосом и формированию хромосомных территорий в клетках-носителях яичника. Имеются данные, свидетельствующие о том, что они негативно регулируют трансвекцию в диплоидных клетках. Также сообщалось, что компоненты конденсина I необходимы для обеспечения корректной экспрессии генов в нейронах после выхода из клеточного цикла. У *A. thaliana* конденсин II необходим для устойчивости к избыточному стрессу, вызванному бором, возможно, за счет уменьшения повреждений ДНК. В межфазных ядрах мыши перицентромерный гетерохроматин разных хромосом ассоциирует друг с другом, формируя крупную структуру, известную как хромоцентры. Клетки с дефицитом конденсина II, но не конденсина I, демонстрируют гиперкластеризацию хромоцентров, что указывает на специфическую роль конденсина II в подавлении кластеризации хромоцентров. Получены мутанты дрожжей *Schizosaccharomyces pombe* с температурочувствительным и/или чувствительным к повреждению ДНК фенотипом. Некоторые из этих мутантов имели дефекты в HEAT-субъединицах конденсина, что указывает на необходимость HEAT-субъединиц для репарации ДНК. Среди них наиболее хорошо изучена фосфорилирование в митозе. Фосфорилирование Cdk1 необходимо для суперспиральной активности конденсина I. У позвоночных было предложено, что N-концевое фосфорилирование субъединицы CAP H способствует специфической для митоза загрузке конденсина I. Помимо Cdk1, сообщалось о положительной регуляции со стороны Aurora B и Polo. Несколько митотических киназ, Cdk1 и Mps1, участвуют в регуляции конденсина II. Показано, что C-концевой хвост субъединицы CAP D3 является основной мишенью для фосфорилирования Cdk1 в комплексе конденсина II человека. Сообщалось, что субъединица CAP H2 конденсина II деградирует у *Drosophila* под действием SCFSlimb убиквитин-лигазы.

Отношение к болезням

Было показано, что MCPH1, один из белков, ответственных за первичную микроцефалию человека, способен негативно регулировать кондензин II. В клетках пациентов с mcph1 кондензин II (но не кондензин I) проявляет гиперактивность, что приводит к преждевременной конденсации хромосом в фазе G2 (то есть до начала митоза). Однако нет данных, свидетельствующих о прямой связи между нарушением регуляции кондензина II и этиологией микроцефалии mcph1. Недавно было опубликовано, что гипоморфные мутации в субъединицах кондензина I или II вызывают микроцефалию у людей. У мышей гипоморфные мутации в субъединицах кондензина II приводят к специфическим дефектам в развитии Т-клеток, что может привести к Т-клеточной лимфоме. Примечательно, что типы клеток со специализированными режимами деления, такие как нейральные стволовые клетки и Т-клетки, особенно чувствительны к мутациям в субъединицах кондензина.

Эволюционные последствия

Прокариоты обладают примитивными типами конденсинов. Относительный вклад двух конденсин-комплексов в архитектуру митотических хромосом изменяется в ходе развития, что влияет на морфологию митотических хромосом. Таким образом, баланс между конденсинами I и II, по-видимому, тонко регулируется как в процессе эволюции, так и развития.

Родственники

У эукариотических клеток есть два дополнительных класса комплексов белков SMC. Когезин содержит белки SMC1 и SMC3 и участвует в скреплении сестринских хроматид. Комплекс SMC5/6 содержит белки SMC5 и SMC6 и вовлечен в рекомбинационное восстановление.