Введение

Белковый комплекс, регулирующий разделение сестринских хроматид во время клеточного деления.

Когезин – это белковый комплекс, который обеспечивает сплоченность сестринских хроматид, гомологичную рекомбинацию и формирование ДНК-петель. Когезин состоит из SMC3, SMC1, SCC1 и SCC3 (SA1 или SA2 у человека). Когезин удерживает сестринские хроматиды вместе после репликации ДНК до анафазы, когда удаление когезина приводит к их разделению. Комплекс образует кольцеобразную структуру, и считается, что сестринские хроматиды удерживаются вместе, будучи захваченными внутри кольца когезина. Когезин является членом семейства белковых комплексов SMC, в которое также входят конденсин, MukBEF и SMC ScpAB. Когезин был независимо открыт в дрожжах (Saccharomyces cerevisiae) Дугласом Кошлендом и Кимом Насмитом в 1997 году.

Структура

Кохезин представляет собой многосубъединичный белковый комплекс, состоящий из SMC1, SMC3, RAD21 и SCC3 (SA1 или SA2). SMC1 и SMC3 являются членами семейства белков, поддерживающих структуру хромосом (SMC). Белки SMC характеризуются двумя основными структурными особенностями: доменом "головки", подобным АТФ-связывающей кассете, с АТФазной активностью (формирующейся в результате взаимодействия N- и C-концевых доменов), и шарнирным доменом, обеспечивающим димеризацию SMC. Домен "головки" и шарнирный домен соединены длинными антипараллельными спиральными структурами. Димер имеет V-образную форму, соединенную шарнирами. N-концевой домен RAD21 содержит две α-спирали, формирующие тройной спиральный пучок с спиральной структурой SMC3. Центральная область RAD21 считается в основном неструктурированной, но содержит несколько участков связывания для регуляторов когезина. К ним относятся участок связывания SA1 или SA2, мотивы распознавания для расщепления сепаразой и область, конкурентно связываемая PDS5A, PDS5B или NIPBL. C-концевой домен RAD21 формирует крылатую спираль, которая связывает два β-листа в домене "головки" Smc1. После связывания RAD21 с белками SMC, SCC3 также может ассоциироваться с RAD21. Когда RAD21 связывается как с SMC1, так и с SMC3, комплекс когезина образует замкнутую кольцевую структуру. Интерфейсы между субъединицами SMC и RAD21 могут раскрываться, позволяя ДНК проходить внутрь и наружу когезинового кольца. Хотя структуры многих субъединиц и их интерфейсов известны, структура всего комплекса когезина не определена. Наши знания о конформации когезина в основном получены с помощью электронной микроскопии. Эти исследования выявили когезин в различных конформациях, включая кольца, удлиненные стержни и, недавно, свернутые конформации. Неизвестно, какая конформация преобладает внутри клетки и обусловлена ли она подготовкой образца.

Диссоциация сродства сестринских хроматид

Комплекс, стимулирующий анафазу, связанный с Cdc20 (APC/C cdc20), маркирует Securin (ингибитор анафазы) для деградации протеасомой. Секурин расщепляется в анафазе после деградации, опосредованной APC/C cdc20, что активирует сепаразу (протеазу, ингибируемую связыванием с секурином) для расщепления субъединицы клейзина. Альфа-клеизин связан с комплексом когезина, соединяя SMC 3 и SMC 1, при этом конкретный клейзин различается между митозом и мейозом (Scc1 и Rec8 соответственно), и его расщепление в конечном итоге приводит к удалению когезина с хромосом. Разъединение сплоченности сестринских хроматид определяет начало анафазы, в результате которой на каждом полюсе клетки формируются два набора идентичных хромосом (телофаза). Затем две дочерние клетки разделяются, и в каждой из них начинается новый цикл клеточного цикла на стадии G0. Когда клетки готовы к делению, будь то из-за достаточного размера или получения соответствующего сигнала, они активируют механизм для перехода в стадию G1 клеточного цикла и дублируют большинство органелл во время фазы S (синтеза), включая центросомы. Таким образом, по завершении деления клеток каждая дочерняя клетка получает полный набор органелл. Одновременно, в фазе S все клетки должны очень точно дублировать свою ДНК, процесс, называемый репликацией ДНК. После завершения репликации ДНК у эукариот молекула ДНК компактизируется и конденсируется, формируя митотические хромосомы, каждая из которых состоит из двух сестринских хроматид, удерживаемых вместе благодаря установлению когезии между ними; каждая хроматида представляет собой полноценную молекулу ДНК, прикрепленную посредством микротрубочек к одной из двух центросом делящейся клетки, расположенных на противоположных полюсах клетки. Чтобы предотвратить преждевременное разделение сестринских хроматид, APC/C поддерживается в неактивном состоянии, связанном с различными молекулами, входящими в состав сложного механизма, называемого контрольной точкой сборки веретена деления.

Механизм сплоченности сестринских хроматид

Неясно, как когезиновое кольцо связывает сестринские хроматиды. Существует два возможных сценария: субъединицы когезина связываются с каждой сестринской хроматидой и образуют мост между ними. Поскольку когезин имеет кольцевую структуру, он способен окружать обе сестринские хроматиды. Современные данные свидетельствуют о том, что второй сценарий является наиболее вероятным. Белки, необходимые для сплоченности сестринских хроматид, такие как Smc3 и Scc1, не регулируют образование ковалентных связей между когезином и ДНК, что указывает на то, что взаимодействие с ДНК недостаточно для обеспечения сплоченности. Это демонстрирует важность кольцевой структуры для функции когезина. Ранние исследования предлагали различные способы, которыми когезин может захватывать ДНК, включая вариант в виде мономера, удерживающего оба гомолога вместе, и модель "наручников", где два переплетающихся комплекса когезина удерживают каждую сестринскую хроматиду. Хотя некоторые исследования поддерживают модель "наручников", в целом считается, что когезин захватывает хроматин в виде мономера. Несмотря на то, что кольцевая гипотеза представляется обоснованной, остаются вопросы относительно количества колец, необходимых для удержания сестринских хроматид вместе. Одна из возможностей заключается в том, что одно кольцо окружает обе хроматиды. Другая возможность предполагает образование димера, где каждое кольцо окружает одну сестринскую хроматиду. Два кольца соединяются друг с другом посредством моста, удерживающего вместе две сестринские хроматиды. Топология и структура этих субъединиц наиболее полно изучены на почкующихся дрожжах, однако консервация последовательностей этих белков, а также биохимические и электронно-микроскопические наблюдения позволяют предположить, что когезиновые комплексы у других видов очень похожи по своей структуре. Когезиновый комплекс формируется на ранних стадиях S-фазы. Комплексы связываются с хромосомами до начала репликации ДНК. Когда клетки начинают реплицировать свою ДНК, кольца когезина замыкаются и связывают сестринские хроматиды. В другой модели экструзия хроматиновых петель стимулируется сверхспирализацией, генерируемой транскрипцией, что также обеспечивает быстрое перемещение когезина и рост петель с разумной скоростью и в правильном направлении. Кроме того, механизм экструзии петель, управляемый сверхспирализацией, согласуется с более ранними объяснениями, предлагающими, почему топологически ассоциированные домены (TAD), фланкированные конвергентными сайтами связывания CTCF, образуют более стабильные хроматиновые петли, чем TAD, фланкированные дивергентными сайтами связывания CTCF. В этой модели сверхспирализация также стимулирует контакты энхансера с промотором, и предполагается, что транскрипция eRNA посылает первую волну сверхспирализации, которая может активировать транскрипцию мРНК в данном TAD. Несколько когезиновых колец обнаруживаются в плечах хромосом, содержащих участки ДНК, богатые AT, что указывает на то, что последовательность ДНК может быть независимым фактором, влияющим на связывание когезина.

Когезин и CTCF

Многие хроматиновые петли формируются посредством так называемого механизма экструзии петли, когда кольцо когезина активно перемещается вдоль двух двойных спиралей ДНК, транслоцируя одну из них относительно другой. Таким образом, петля может становиться меньше или больше. Процесс экструзии петли останавливается, когда когезин встречает архитектурный белок хроматина CTCF. Для остановки когезина сайт CTCF должен иметь правильную ориентацию.

Мейоз

Когезиновые белки SMC1β, SMC3, REC8 и STAG3, по-видимому, участвуют в сплоченности сестринских хроматид на протяжении всего мейотического процесса в человеческих ооцитах. Белки SMC1β, REC8 и STAG3 являются когезинами, специфичными для мейоза. Белок STAG3, по всей видимости, необходим для женского мейоза. Гомозиготная сдвиговая мутация в гене *Stag3* была выявлена в большой семье, состоящей из кровных родственников, с преждевременной недостаточностью яичников. Кроме того, самки мышей с дефицитом STAG3 стерильны, а их ооциты на стадии плода останавливаются на ранней профазе I.