Cohesin
Le coesine sono complessi proteici a forma di anello le cui molteplici funzioni dipendono principalmente dalla loro capacità di portare due diverse molecole di DNA o due parti distanti della stessa molecola di DNA nelle immediate vicinanze. Originariamente scoperto per il loro ruolo essenziale nella sorella coesione tra cromatidi fratelli (SCC), che sono stati trovati a partecipare a vari processi nucleari, quali l’assemblea della replicazione del DNA fabbriche, di DNA double-stranded break (DSB) riparazione, la condensazione del cromosoma e morfologia, controllo trascrizionale, recettore delle cellule T di riorganizzazione e assemblaggio del fuso mitotico (per le recenti recensioni, vedi Haering & Jessberger, 2012; Merkenschlager, 2010; Nasmyth, 2011; Nasmyth & Haering, 2009; Legno, Severson, & Meyer, 2010). Le coesine sono essenziali per la meiosi, dove svolgono diversi ruoli, che sono discussi in questa recensione. Il complesso cohesin core (Fig. 1.1 A) si basa su un eterodimero di due proteine SMC (structural maintenance of chromosomes), SMC1 e SMC3, che si associano tra loro con alta affinità attraverso i loro domini cardine centrali. Una proteina α-kleisina (SCC1, chiamata anche RAD21/MCD1) chiude l’anello attraverso l’interazione con i domini terminali globulari delle proteine SMC. La scissione della α-kleisina alla transizione metafase-anafase risolve la coesione e consente la segregazione cromosomica. Una quarta proteina chiamata SA (antigene stromale, chiamato anche SCC3) si associa alla componente α-kleisina dell’anello tripartito. Le funzioni esatte delle proteine SA rimangono poco chiare, ma sono coinvolte in una via di rilascio della coesina dipendente dalla fosforilazione (vedere Paragrafo 4). Nelle cellule somatiche dei mammiferi, due diverse proteine SA, SA1 e SA2, sono espresse da due geni distinti e hanno dimostrato di rappresentare alcune delle diversità funzionali dei complessi di coesina. La perdita di SA1 è stata recentemente dimostrata per causare letalità embrionale, difetti di segregazione cromosomica, aneuploidia e cambiamenti specifici nei modelli di trascrizione, mentre la coesione centromerica dipende da SA2 (Remeseiro, Cuadrado, Carretero, et al. Nel 2012 si trasferisce al, con cui firma un contratto biennale. Oltre a queste due diverse subunità SA, le cellule meiotiche esprimono una terza proteina SA (SA3, chiamata anche STAG3), sempre da un altro gene, fornendo alle cellule meiotiche un numero ancora maggiore di diversi complessi di coesina per svolgere varie funzioni. Tuttavia, la diversità nei meiociti è ancora più grande: un gene aggiuntivo che codifica una proteina di tipo SMC1 (SMC1ß) e altri due geni che codificano proteine α-kleisin (RAD21L e REC8) sono espressi esclusivamente nei meiociti, espandendo la possibile combinazione ad almeno 18 diversi complessi di nucleo di coesina durante la meiosi. Considerando fattori associati alla coesina e/o regolatori, di cui si sa molto poco nelle cellule meiotiche, questo numero è destinato ad aumentare ancora di più; ad esempio, due paralog del fattore associato alla coesina PDS5 (PDS5A e PDS5B) coesistono nelle cellule somatiche (Losada, Yokochi, & Hirano, 2005). I dati sperimentali hanno confermato l’esistenza di almeno sei complessi (Jessberger, 2011; Uhlmann, 2011).
Figura 1.1. Coesina nella meiosi. (A) Modello dell’anello di coesina che circonda due cromatidi. SMC3 (grigio) è presente in tutti i complessi di coesina. Ci sono due geni e proteine SMC1: SMC1a (blu scuro) e un SMC1ß specifico per la meiosi (blu chiaro). L’anello tripartito si chiude tramite l’associazione di una subunità α-kleisina, di cui esistono tre varianti: l’onnipresente RAD21 (turchese scuro) e due forme specifiche della meiosi, REC8 e RAD21L (turchese chiaro). Un terzo componente, di cui esistono tre varianti, si associa al complesso tramite il legame con l’α-kleisina: canonica SA1 o SA2 (arancione scuro) o la STAG3 specifica per meiosi (SA3) (arancione chiaro). Il carico del complesso di coesina sui cromosomi e il suo mantenimento sui cromosomi sono controllati da fattori di carico, fattori di costituzione e antiestablishment. Il caricamento del complesso di coesina sui cromosomi mitotici viene eseguito da un complesso di SCC2-SCC4 (kollerin) e dissociazione di coesina mediante PDS5-WAPL (releasin). Le acetiltransferasi di coesina (ESCO1 ed ESCO2) sono necessarie per stabilire la coesione nella fase S mitotica attraverso l’acetilazione di SMC3, che recluta Sororina, un fattore di mantenimento che contrasta l’attività di rilascio durante le fasi mitotiche S e G2. (B) Schema degli stadi meiotici da (i) a (ix), che mostra la progressione di una coppia di cromosomi omologhi (uno rosso e l’altro blu, ciascuno disegnato come due linee singole che rappresentano cromatidi fratelli senza cicli di cromatina a scopo illustrativo) attraverso i diversi stadi. In realtà, la progressione è continua. La presenza di specifiche proteine di coesina per quanto noto è presentata nelle sezioni inferiori dei pannelli (né le quantità relative né le potenziali interazioni tra le subunità sono prese in considerazione). Ci sono rapporti contrastanti sulla presenza di proteine di coesina in alcune fasi. In questi casi, le coesine sono raffigurate in scatole non colorate. Ci sono pochissime informazioni su SA1. I dati qui illustrati si basano su analisi degli spermatociti. (i) Durante la fase S premeiotica, i cromatidi fratelli di nuova formazione (rossi o blu) sono tenuti insieme da complessi di coesina (non mostrati). Le subunità mitotiche della coesina sono presenti. La SMC1ß specifica per la meiosi non è ancora presente; tuttavia, REC8, RAD21L e forse STAG3 in alcune cellule stanno già iniziando ad essere espressi; (ii) durante leptotene, i cromosomi cominciano a condensare e assiale elementi di forma, STAG3 e SMC1ß sono ora presenti sui cromosomi; (iii) synapsis di cromosomi omologhi, inizia durante zigotene, facilitato da frequenti DNA DSBs, di cui uno è rappresentato nel riquadro, DSBs sono iniziati in leptotene; (iv) la formazione di SC è completa in pachitene con tutti omologhi completamente synapsed, ricombinazione meiotica procede come indicato nel riquadro; (v) crossover (due esempi sono mostrati) che sono stati formati tra omologhi durante pachytene, collegare fisicamente gli omologhi insieme in diplotene. In questa fase, la SC si è in gran parte dissolta; tuttavia, la coesione cromatidica sorella viene mantenuta. Gli ovociti si arresteranno poco dopo questa fase, in una fase chiamata arresto dictyate—non mostrato) – per molti anni negli esseri umani-e la coesione deve essere mantenuta durante questo periodo; (vi) alla metafase I, gli attacchi del fuso si formano a centromeri mono-orientati degli omologhi e chiasmata resiste ancora alle forze di trazione dei microtubuli; (vii) la scissione della subunità α-kleisina della coesina per separasi provoca la separazione degli omologhi mentre i chiasmata si risolvono in assenza di coesione del braccio. La coesione centromerica è protetta da Shugoshin / PP2A (non mostrato) e da un pool di subunità di coesina defosforilate; (viii) i cromatidi fratelli si allineano sulla piastra della metafase durante la metafase II e i microtubuli del mandrino si attaccano ai cinetocori biorientati; (ix) la coesione viene persa e i cromatidi fratelli vengono separati nell’anafase II, creando gameti aploidi.