Cohesin
Cohesine sind ringförmige Proteinkomplexe, deren vielfältige Funktionen hauptsächlich von ihrer Fähigkeit abhängen, zwei verschiedene DNA-Moleküle oder zwei entfernte Teile desselben DNA-Moleküls in die Nähe zu bringen. Ursprünglich für ihre wesentliche Rolle bei der Schwesterchromatid-Kohäsion (SCC) entdeckt, nahmen sie an verschiedenen nuklearen Prozessen teil, wie dem Zusammenbau von DNA-Replikationsfabriken, der Reparatur von DNA-doppelsträngigen Brüchen (DSB), der Chromosomenkondensation und -morphologie, der Transkriptionskontrolle, der T-Zell-Rezeptor-Umlagerung und der mitotischen Spindelanordnung (für neuere Übersichten siehe Haering & Jessberger, 2012; Merkenschlager, 2010; Nasmyth, 2011; Nasmyth & Haering, 2009; Holz, Severson, & Meyer, 2010). Kohäsine sind essentiell für die Meiose, wo sie mehrere Rollen spielen, die in diesem Review diskutiert werden. Der Cohesinkern-Komplex (Abb. 1.1A) basiert auf einem Heterodimer zweier SMC-Proteine (strukturelle Aufrechterhaltung von Chromosomen), SMC1 und SMC3, die über ihre zentralen Scharnierdomänen mit hoher Affinität miteinander assoziieren. Ein α-Kleisin-Protein (SCC1, auch RAD21/MCD1 genannt) schließt den Ring durch Wechselwirkung mit den globulären Enddomänen der SMC-Proteine. Die Spaltung des α-Kleisins am Metaphase-zu-Anaphase-Übergang löst die Kohäsion auf und ermöglicht die Chromosomensegregation. Ein viertes Protein namens SA (Stromantigen, auch SCC3 genannt) assoziiert mit der α-Kleisin-Komponente des dreiteiligen Rings. Die genauen Funktionen von SA-Proteinen sind noch unklar, sie sind jedoch an einem phosphorylierungsabhängigen Cohesinfreisetzungsweg beteiligt (siehe Abschnitt 4). In somatischen Zellen von Säugetieren, Zwei verschiedene SA-Proteine, SA1 und SA2, werden aus zwei verschiedenen Genen exprimiert und es wurde gezeigt, dass sie einen Teil der funktionellen Vielfalt von Cohesinkomplexen ausmachen. Es wurde kürzlich gezeigt, dass der Verlust von SA1 embryonale Letalität, Chromosomensegregationsdefekte, Aneuploidie und spezifische Veränderungen der Transkriptionsmuster verursacht, während die zentromere Kohäsion von SA2 abhängt (Remeseiro, Cuadrado, Carretero et al., 2012; Remeseiro, Cuadrado, Gomez-Lopez, Pisano, & Losada, 2012). Zusätzlich zu diesen beiden verschiedenen SA-Untereinheiten exprimieren meiotische Zellen ein drittes SA-Protein (SA3, auch STAG3 genannt), wiederum aus einem anderen Gen, wodurch meiotische Zellen mit einer noch größeren Anzahl verschiedener Kohäsinkomplexe versorgt werden, um verschiedene Funktionen auszuführen. Die Vielfalt in Meiozyten ist jedoch noch größer: Ein zusätzliches Gen, das für ein Protein vom SMC1-Typ (SMC1ß) kodiert, und zwei weitere Gene, die für α-Kleisin-Proteine (RAD21L und REC8) kodieren, werden ausschließlich in Meiozyten exprimiert, wodurch die Kombinationsmöglichkeiten auf mindestens 18 verschiedene Cohesin-Kernkomplexe während der Meiose erweitert werden. In Anbetracht von Cohesin-assoziierten und / oder regulatorischen Faktoren, über die in meiotischen Zellen nur sehr wenig bekannt ist, dürfte diese Zahl noch weiter zunehmen; zum Beispiel koexistieren zwei Paraloge des Cohesin-assoziierten Faktors PDS5 (PDS5A und PDS5B) in somatischen Zellen (Losada, Yokochi, & Hirano, 2005). Experimentelle Daten haben die Existenz von mindestens sechs Komplexen bestätigt (Jessberger, 2011; Uhlmann, 2011).
Abbildung 1.1. Kohäsin in der Meiose. (A) Modell des Kohäsinrings, der zwei Chromatiden umgibt. SMC3 (grau) ist in allen Kohäsinkomplexen vorhanden. Es gibt zwei SMC1-Gene und -Proteine: SMC1a (dunkelblau) und ein Meiose-spezifisches SMC1ß (hellblau). Der dreiteilige Ring schließt sich über die Assoziation einer α-Kleisin-Untereinheit, von der drei Varianten existieren: das allgegenwärtige RAD21 (dunkles Türkis) und zwei Meiose-spezifische Formen, REC8 und RAD21L (helles Türkis). Eine dritte Komponente, von der es drei Varianten gibt, assoziiert sich über die Bindung an das α-Kleisin mit dem Komplex: kanonisches SA1 oder SA2 (Dunkelorange) oder das meiosespezifische SA3 (SA3) (Hellorange). Die Beladung des Kohäsinkomplexes auf Chromosomen und seine Aufrechterhaltung auf Chromosomen werden durch Beladungsfaktoren, Establishment- und Antiestablishment-Faktoren gesteuert. Die Beladung des Cohesinkomplexes auf mitotische Chromosomen erfolgt durch einen Komplex aus SCC2–SCC4 (Kollerin) und Cohesindissoziation durch PDS5-WAPL (Releasin). Cohesin-Acetyltransferasen (ESCO1 und ESCO2) sind notwendig, um die Kohäsion in der mitotischen S-Phase durch Acetylierung von SMC3 herzustellen, wodurch Sororin rekrutiert wird, ein Erhaltungsfaktor, der der Releasinaktivität während der mitotischen S- und G2-Phasen entgegenwirkt. (B) Schema der meiotischen Stadien von (i) bis (ix), das den Verlauf eines Paares homologer Chromosomen (eines rot und das andere blau, jeweils als zwei einzelne Linien gezeichnet, die Schwesterchromatiden ohne Chromatinschleifen zur Veranschaulichung darstellen) durch die verschiedenen Stadien zeigt. In Wirklichkeit ist der Fortschritt kontinuierlich. Das Vorhandensein spezifischer Kohäsinproteine, soweit bekannt, wird in den unteren Abschnitten der Panels dargestellt (weder die relativen Mengen noch die möglichen Wechselwirkungen zwischen den Untereinheiten werden berücksichtigt). Es gibt widersprüchliche Berichte über das Vorhandensein von Kohäsinproteinen in einigen Stadien. In solchen Fällen werden die Schaufensterpuppen in nicht farbigen Kästchen dargestellt. Es gibt sehr wenig Informationen über SA1. Die hier dargestellten Daten basieren auf Analysen von Spermatozyten. (i) Während der prämeiotischen S-Phase werden neu gebildete Schwesterchromatiden (rot oder blau) durch Kohäsinkomplexe (nicht gezeigt) zusammengehalten. Die mitotischen Cohesin-Untereinheiten sind vorhanden. Das Meiose-spezifische SMC1ß ist noch nicht vorhanden; REC8, RAD21L sowie vielleicht STAG3 in einigen Zellen beginnen jedoch bereits zu exprimieren; (ii) während Leptoten beginnen die Chromosomen zu kondensieren und axiale Elemente zu bilden, STAG3 und SMC1ß sind jetzt auf den Chromosomen vorhanden; (iii) Die Synapse homologer Chromosomen beginnt während des Zygotens, erleichtert durch häufige DNA-DSBs, von denen einer im Inset dargestellt ist, DSBs werden in Leptoten initiiert; (iv) Die Bildung des SC ist in Pachytene abgeschlossen, wobei alle Homologen vollständig synapsiert sind, die meiotische Rekombination verläuft wie im; (v) Kreuzungen (zwei Beispiele sind gezeigt), die zwischen Homologen während des Pachytens gebildet wurden, verbinden die Homologen physikalisch miteinander in Diploten. In diesem Stadium hat sich der SC weitgehend aufgelöst; Die Chromatid-Kohäsion bleibt jedoch erhalten. Oozyten werden kurz nach diesem Stadium anhalten, in einem Stadium, das als Diktyatarrest bezeichnet wird (nicht gezeigt) – für viele Jahre beim Menschen – und der Zusammenhalt muss während dieser Zeit aufrechterhalten werden; (vi) In der Metaphase I bilden sich Spindelansätze an monoorientierten Zentromeren von Homologen, und Chiasmata widerstehen immer noch Mikrotubuli-Zugkräften; (vii) Die Spaltung der α-Kleisin-Untereinheit von Cohesin durch Separase führt zur Trennung von Homologen, da sich Chiasmata in Abwesenheit von Armkohäsion auflösen. Die zentromere Kohäsion wird durch Shugoshin / PP2A (nicht gezeigt) und einen Pool von dephosphorylierten Kohäsin-Untereinheiten geschützt; (viii) Schwesterchromatiden richten sich während der Metaphase II auf der Metaphasenplatte aus und Spindelmikrotubuli heften sich an biorientierte Kinetochoren; (ix) Die Kohäsion geht verloren und Schwesterchromatiden werden in der Anaphase II auseinandergezogen, wodurch haploide Gameten entstehen.