Cohésine
Les cohésines sont des complexes protéiques en forme d’anneau dont les multiples fonctions dépendent principalement de leur capacité à amener deux molécules d’ADN différentes ou deux parties éloignées d’une même molécule d’ADN à proximité. Découverts à l’origine pour leur rôle essentiel dans la cohésion des chromatides sœurs (CSC), ils participent à divers processus nucléaires tels que l’assemblage d’usines de réplication de l’ADN, la réparation de la rupture double brin de l’ADN (DSB), la condensation et la morphologie des chromosomes, le contrôle transcriptionnel, le réarrangement des récepteurs des lymphocytes T et l’assemblage du fuseau mitotique (pour des revues récentes, voir Haering & Jessberger, 2012; Merkenschlager, 2010; Nasmyth, 2011; Nasmyth & Haering, 2009; Wood, Severson, & Meyer, 2010). Les cohésines sont essentielles pour la méiose, où elles jouent plusieurs rôles, qui sont discutés dans cette revue. Le complexe de noyau de cohésine (Fig. 1.1A) est basé sur un hétérodimère de deux protéines SMC (maintien structurel des chromosomes), SMC1 et SMC3, qui s’associent l’une à l’autre avec une grande affinité à travers leurs domaines de charnière centrale. Une protéine α-kleisine (SCC1, également appelée RAD21/MCD1) ferme l’anneau par interaction avec les domaines terminaux globulaires des protéines SMC. Le clivage de l’α-kleisine au niveau de la transition métaphase-anaphase résout la cohésion et permet la ségrégation chromosomique. Une quatrième protéine nommée SA (antigène stromal, également nommé SCC3) s’associe au composant α-kleisine du cycle tripartite. Les fonctions exactes des protéines SA restent floues, mais elles sont impliquées dans une voie de libération de cohésine dépendante de la phosphorylation (voir Section 4). Dans les cellules somatiques de mammifères, deux protéines SA différentes, SA1 et SA2, sont exprimées à partir de deux gènes distincts et il a été démontré qu’elles expliquent une partie de la diversité fonctionnelle des complexes de cohésine. Il a été démontré très récemment que la perte de SA1 entraînait une létalité embryonnaire, des défauts de ségrégation chromosomique, une aneuploïdie et des changements spécifiques dans les schémas de transcription, alors que la cohésion centromérique dépend de SA2 (Remeseiro, Cuadrado, Carretero, et al., 2012; Remeseiro, Cuadrado, Gomez-Lopez, Pisano, & Losada, 2012). En plus de ces deux sous-unités SA différentes, les cellules méiotiques expriment une troisième protéine SA (SA3, également appelée STAG3), toujours à partir d’un autre gène, fournissant aux cellules méiotiques un nombre encore plus grand de complexes de cohésine différents pour remplir diverses fonctions. Cependant, la diversité dans les méiocytes est encore plus grande: un gène supplémentaire codant pour une protéine de type SMC1 (SMC1ß) et deux autres gènes codant pour des protéines α-kleisines (RAD21L et REC8) sont exprimés exclusivement dans les méiocytes, élargissant la combinaison possible à au moins 18 complexes de noyau de cohésine différents au cours de la méiose. Compte tenu des facteurs associés à la cohésine et / ou de régulation, dont on sait très peu de choses dans les cellules méiotiques, ce nombre est susceptible d’augmenter encore plus; par exemple, deux paralogues du facteur associé à la cohésine PDS5 (PDS5A et PDS5B) coexistent dans les cellules somatiques (Losada, Yokochi, & Hirano, 2005). Les données expérimentales ont confirmé l’existence d’au moins six complexes (Jessberger, 2011; Uhlmann, 2011).
Figure 1.1. Cohésine dans la méiose. (A) Modèle du cycle de cohésine entourant deux chromatides. SMC3 (gris) est présent dans tous les complexes de cohésine. Il existe deux gènes et protéines SMC1 : SMC1a (bleu foncé) et un SMC1ß spécifique à la méiose (bleu clair). L’anneau tripartite se ferme par l’association d’une sous-unité α-kleisine, dont trois variantes existent : l’omniprésente RAD21 (turquoise foncé), et deux formes spécifiques à la méiose, REC8 et RAD21L (turquoise clair). Un troisième composant, dont il existe trois variantes, s’associe au complexe par liaison à l’α-kleisine: SA1 ou SA2 canoniques (orange foncé) ou le STAG3 spécifique à la méiose (SA3) (orange clair). La charge du complexe de cohésine sur les chromosomes et son maintien sur les chromosomes sont contrôlés par des facteurs de charge, d’établissement et d’antiétablissement. Le chargement du complexe de cohésine sur les chromosomes mitotiques est effectué par un complexe de SCC2–SCC4 (kollérine) et de dissociation de la cohésine par PDS5-WAPL (releasin). Les acétyltransférases de cohésine (ESCO1 et ESCO2) sont nécessaires pour établir la cohésion dans la phase mitotique S par acétylation de SMC3, qui recrute de la sororine, un facteur de maintien qui contrecarre l’activité de la libération pendant les phases mitotiques S et G2. (B) Schéma des stades méiotiques de (i) à (ix), montrant la progression d’une paire de chromosomes homologues (l’un rouge et l’autre bleu, chacun dessiné comme deux lignes simples représentant des chromatides sœurs sans boucles de chromatine à des fins d’illustration) à travers les différents stades. En réalité, la progression est continue. La présence de protéines de cohésine spécifiques, à ce que l’on sache, est présentée dans les sections inférieures des panneaux (ni les quantités relatives ni les interactions potentielles entre les sous-unités ne sont prises en compte). Il existe des rapports contradictoires sur la présence de protéines de cohésine à certains stades. Dans de tels cas, les cohésines sont représentées dans des boîtes non colorées. Il y a très peu d’informations sur SA1. Les données illustrées ici sont basées sur des analyses de spermatocytes. (i) Pendant la phase S préméiotique, les chromatides sœurs nouvellement formées (rouges ou bleues) sont maintenues ensemble par des complexes de cohésine (non représentés). Les sous-unités de cohésine mitotique sont présentes. Le SMC1ß spécifique à la méiose n’est pas encore présent; cependant, REC8, RAD21L ainsi que peut-être STAG3 dans quelques cellules commencent déjà à être exprimés; (ii) pendant le leptotène, les chromosomes commencent à se condenser et des éléments axiaux se forment, STAG3 et SMC1ß sont maintenant présents sur les chromosomes; (iii) la synapse des chromosomes homologues commence pendant le zygotène, facilitée par des DSB d’ADN fréquents, dont l’un est représenté dans l’encart, les DSB sont initiés dans le leptotène; (iv) la formation du SC est complète dans le pachytène avec tous les homologues complètement synapsés, la recombinaison méiotique se déroule comme indiqué dans l’encart; (v) les croisements (deux exemples sont illustrés) qui se sont formés entre homologues au cours du pachytène, relient physiquement les homologues entre eux dans le diplotène. À ce stade, la SC s’est largement dissoute; cependant, la cohésion des chromatides sœurs est maintenue. Les ovocytes s’arrêteront peu de temps après ce stade, à un stade appelé arrêt dictyaté (non représenté) — pendant de nombreuses années chez l’homme – et la cohésion doit être maintenue pendant ce temps; (vi) à la métaphase I, des attaches de fuseau se forment au niveau des centromères mono-orientés des homologues et les chiasmates résistent encore aux forces de traction des microtubules; (vii) le clivage de la sous-unité α-kleisine de la cohésine par la séparase entraîne la séparation des homologues lorsque les chiasmates se résolvent en l’absence de cohésion du bras. La cohésion centromérique est protégée par la Shugoshine/PP2A (non représentée) et un pool de sous-unités de cohésine déphosphorylées; (viii) les chromatides sœurs s’alignent sur la plaque de métaphase pendant la métaphase II et les microtubules du fuseau se fixent aux kinétochores biorientés; (ix) la cohésion est perdue et les chromatides sœurs sont séparées dans l’anaphase II, créant des gamètes haploïdes.