Конденсин

Перейти к навигацииПерейти к поиску
Интерфазное ядро (слева) и набор митотических хромосом (справа) из культуры клеток человека. Штрих = 10 мкм.

Конденсины — большие белковые комплексы, которые играют главную роль в расхождении хромосом во время митоза и мейоза[1][2].

Субъединичный состав

Эукариотические конденсины

Субъединичный состав комплексов конденсина

Большинство эукариотических клеток имеют два вида конденсиновых комплексов, которые называются конденсин I и конденсин II. Каждый из них состоит из пяти субъединиц[3][4]. Конденсины I и II имеют общую пару субъединиц, SMC2 и SMC4, которые принадлежат к большому семейству хромосомных АТФаз, известному как SMC-белки (англ. Structural Maintenance of Chromosomes). Каждый из этих комплексов содержит определённый набор регуляторных субъединиц (кляйзиновую субъединицу[5] и пару субъединиц с HEAT-повторами[6]). У нематоды Caenorhabditis elegans есть третий конденсиновый комплекс (родственный конденсину I), который участвует в дозовой компенсации[7]. Этот комплекс называется конденсин IDC, и в нём субъединица SMC4 заменена на схожий белок DPY-27.

КомплексСубъединицаКлассS. cerevisiaeS. pombeC. elegansD. melanogasterПозвоночные (гены человека)
конденсин I и IISMC2АТФазаSmc2Cut14MIX-1DmSmc2CAP-E (SMC2)
конденсин I и IISMC4АТФазаSmc4Cut3SMC-4DmSmc4CAP-C (SMC4)
конденсин ICAP-D2HEATYcs4Cnd1DPY-28CG1911CAP-D2 (NCAPD2)
конденсин ICAP-GHEATYcg1Cnd3CAP-G1cap-gCAP-G (NCAPG)
конденсин ICAP-HkleisinBrn1Cnd2DPY-26barrenCAP-H (NCAPH)
конденсин IICAP-D3HEAT--HCP-6CG31989CAP-D3 (NCAPD3)
конденсин IICAP-G2HEAT--CAP-G2-?CAP-G2 (NCAPG2)
конденсин IICAP-H2kleisin--KLE-2CG14685CAP-H2 (NCAPH2)
конденсин IDCDPY-27АТФаза--DPY-27--

Структура и функции конденсина I неизменны от дрожжей к человеку, но у дрожжей нет конденсина II[8][9]. По всей видимости нет никакой связи между наличием у эукариотического организма конденсина II и размером его генома. Напротив, у примитивной красной водоросли Cyanidioschyzon merolae есть конденсины I и II, хотя размер её генома мал даже по сравнению с дрожжами[10].

Прокариотические конденсины

У прокариот есть конденсин-подобные комплексы, которые также обеспечивают организацию и расхождение хромосом. Прокариотические конденсины можно разделить на два типа: SMC-ScpAB[11] и MukBEF[12]. У большинства видов эубактерий и архей присутствуют конденсины SMC-ScpAB, а у γ-протеобактерий — MukBEF.

КомплексСубъединицаКлассификацияB. subtilisCaulobacterE.coli
SMC-ScpABSMCАТФазаSMC/BsSMCSMC-
SMC-ScpABScpAkleisinScpAScpA-
SMC-ScpABScpBwinged-helixScpBScpB-
MukBEFMukBАТФаза--MukB
MukBEFMukE?--MukE
MukBEFMukFkleisin--MukF

Механизм действия

Одиночное конденсиновое кольцо окружает два участка двухцепочечной ДНК, а затем замыкается при помощи дополнительных не SMC субъединиц. Таким образом эти белки обеспечивают конденсацию хроматина, образование петель и правильную укладку ДНК в хроматиде.

Активность

Очищенный конденсин I использует энергию АТФ, чтобы создавать положительные супервитки ДНК[13]. Он проявляет ДНК-зависимую АТФазную активность in vitro. Димер SMC2-SMC4 способен ренатурировать комплементарную одноцепочечную ДНК[14]. Для этой активности ему не требуется АТФ.

Структура

Димеры SMC, которые являются центральными субъединицами конденсинов, имеют уникальную V-образную форму[15]. Такую форму удалось определить у конденсина I с помощью электронной микроскопии[16].

Функции в митозе

Распределение конденсина I (зелёный) и конденсина II (красный) в метафазных хромосомах человека. Штрих = 1 мкм.

В культивируемых клетках человека конденсиновые комплексы I и II неодинаково ведут себя в процессе прохождения клеточного цикла[17][18]. В течение интерфазы конденсин II находится в ядре и принимает участие в начальных стадиях конденсации хромосом во время профазы. Конденсин I, напротив, в течение интерфазы находится в цитоплазме, попадает к хромосомам только после исчезновения ядерной оболочки в конце профазы. В течение прометафазы и метафазы, оба конденсина участвуют в конденсации хромосом, в результате которой сестринские хроматиды полностью оформляются[4]. Оба комплекса, по-видимому, остаются связанными с хромосомами даже после расхождения сестринских хроматид в анафазе. По крайней мере, одна субъединица конденсина I напрямую взаимодействует с циклин-зависимой киназой (Cdk)[19].

Другие функции

Недавние исследования показали, что конденсины участвуют в широком спектре процессов, происходящих в хромосомах вне митоза и мейоза. У почкующихся дрожжей, например, конденсин I (единственный конденсин этого организма) помогает в регуляции числа копий тандемных повторов рибосомной ДНК[20], а также в кластеризации генов тРНК[21]. У дрозофилы субъединицы конденсина II участвуют в растворении политенных хромосом[22] и формировании хромосомной территории[23] в питающих клетках. Также существуют доказательства, что они осуществляют негативную регуляцию при генетической трансвекции диплоидных клеток. У A. thaliana конденсин II необходим для формирования устойчивости растения к бору, возможно, он предотвращает повреждение ДНК[24]. Было показано, что в клетках человека конденсин II инициирует события, связанные с расхождением сестринских хроматид в митозе, уже во время S-фазы митотического цикла[25].

Родственные белки

В клетках эукариот есть два дополнительных класса комплексов из SMC-белков, это когезины, которые содержат SMC1 и SMC3 и участвуют в связывании сестринских хроматид, а также комплекс SMC5/6, который содержит SMC5 и SMC6, он участвует в рекомбинационной репарации.

См. также

Примечания

  1. ↑ Hirano T. Condensins: universal organizers of chromosomes with diverse functions (англ.) // Genes Dev : journal. — 2012. — Vol. 26, no. 15. — P. 1659—1678. — doi:10.1101/gad.194746.112. — PMID 22855829. — PMC 3418584.
  2. ↑ Wood A. J., Severson A. F., Meyer B. J. Condensin and cohesin complexity: the expanding repertoire of functions (англ.) // Nat Rev Genet : journal. — 2010. — Vol. 11, no. 6. — P. 391—404. — doi:10.1038/nrg2794. — PMID 20442714. — PMC 3491780.
  3. ↑ Hirano T., Kobayashi R., Hirano M. конденсинs, chromosome condensation complex containing XCAP-C, XCAP-E and a Xenopus homolog of the Drosophila Barren protein (англ.) // Cell : journal. — Cell Press, 1997. — Vol. 89, no. 4. — P. 511—521. — doi:10.1016/S0092-8674(00)80233-0. — PMID 9160743.
  4. ↑ 1 2 Ono T., Losada A., Hirano M., Myers M. P., Neuwald A. F., Hirano T. Differential contributions of конденсин I and конденсин II to mitotic chromosome architecture in vertebrate cells (англ.) // Cell : journal. — Cell Press, 2003. — Vol. 115, no. 1. — P. 109—121. — doi:10.1016/S0092-8674(03)00724-4. — PMID 14532007.
  5. ↑ Schleiffer A., Kaitna S., Maurer-Stroh S., Glotzer M., Nasmyth K., Eisenhaber F. Kleisins: a superfamily of bacterial and eukaryotic SMC protein partners (англ.) // Mol. Cell[англ.] : journal. — 2003. — Vol. 11, no. 3. — P. 571—575. — doi:10.1016/S1097-2765(03)00108-4. — PMID 12667442.
  6. ↑ Neuwald A. F., Hirano T. HEAT repeats associated with condensins, cohesins, and other complexes involved in chromosome-related functions (англ.) // Genome Res. : journal. — 2000. — Vol. 10, no. 10. — P. 1445—1452. — doi:10.1101/gr.147400. — PMID 11042144.
  7. ↑ Csankovszki G., Collette K., Spahl K., Carey J., Snyder M., Petty E., Patel U., Tabuchi T., Liu H., McLeod I., Thompson J., Sarkeshik A., Yates J., Meyer B. J., Hagstrom K. Three distinct condensin complexes control C. elegans chromosome dynamics (англ.) // Curr. Biol. : journal. — 2009. — Vol. 19, no. 1. — P. 9—19. — doi:10.1016/j.cub.2008.12.006. — PMID 19119011.
  8. ↑ Sutani T., Yuasa T., Tomonaga T., Dohmae N., Takio K., Yanagida M. Fission yeast конденсин complex: essential roles of non-SMC subunits for condensation and Cdc2 phosphorylation of Cut3/SMC4 (англ.) // Genes Dev. : journal. — 1999. — Vol. 13, no. 17. — P. 2271—2283. — doi:10.1101/gad.13.17.2271. — PMID 10485849.
  9. ↑ Freeman L., Aragon-Alcaide L., Strunnikov A. The конденсин complex governs chromosome condensation and mitotic transmission of rDNA (англ.) // J. Cell Biol.[англ.] : journal. — 2000. — Vol. 149, no. 4. — P. 811—824. — doi:10.1083/jcb.149.4.811. — PMID 10811823.
  10. ↑ Fujiwara T., Tanaka K., Kuroiwa T., Hirano T. Spatiotemporal dynamics of конденсинs I and II: evolutionary insights from the primitive red alga Cyanidioschyzon merolae (англ.) // Mol. Biol. Cell. : journal. — 2013. — Vol. 24, no. 16. — P. 2515—2527. — doi:10.1091/mbc.E13-04-0208. — PMID 23783031.
  11. ↑ Mascarenhas J., Soppa J., Strunnikov A. V., Graumann PL. Cell cycle-dependent localization of two novel prokaryotic chromosome segregation and condensation proteins in Bacillus subtilis that interact with SMC protein (англ.) // EMBO J. : journal. — 2002. — Vol. 21, no. 12. — P. 3108—3118. — doi:10.1093/emboj/cdf314. — PMID 12065423.
  12. ↑ Yamazoe M., Onogi T., Sunako Y., Niki H., Yamanaka K., Ichimura T., Hiraga S. Complex formation of MukB, MukE and MukF proteins involved in chromosome partitioning in Escherichia coli (англ.) // EMBO J. : journal. — 1999. — Vol. 18, no. 21. — P. 5873—5884. — doi:10.1093/emboj/18.21.5873. — PMID 10545099.
  13. ↑ Kimura K., Hirano T. ATP-dependent positive supercoiling of DNA by 13S condensin: a biochemical implication for chromosome condensation (англ.) // Cell : journal. — Cell Press, 1997. — Vol. 90, no. 4. — P. 625—634. — doi:10.1016/s0092-8674(00)80524-3. — PMID 9288743.
  14. ↑ Sutani T., Yanagida M. DNA renaturation activity of the SMC complex implicated in chromosome condensation (англ.) // Nature : journal. — 1997. — Vol. 388, no. 6644. — P. 798—801. — doi:10.1038/42062. — PMID 9285594.
  15. ↑ Melby T. E., Ciampaglio C. N., Briscoe G., Erickson HP. The symmetrical structure of structural maintenance of chromosomes (SMC) and MukB proteins: long, antiparallel coiled coils, folded at a flexible hinge (англ.) // J. Cell Biol.[англ.] : journal. — 1998. — Vol. 142, no. 6. — P. 1595—1604. — doi:10.1083/jcb.142.6.1595. — PMID 9744887.
  16. ↑ Anderson D. E., Losada A., Erickson H. P., Hirano T. Condensin and cohesin display different arm conformations with characteristic hinge angles (англ.) // J. Cell Biol.[англ.] : journal. — 2002. — Vol. 156, no. 6. — P. 419—424. — doi:10.1083/jcb.200111002. — PMID 11815634.
  17. ↑ Ono T., Fang Y., Spector D. L., Hirano T. Spatial and temporal regulation of Condensins I and II in mitotic chromosome assembly in human cells (англ.) // Molecular Biology of the Cell : journal. — 2004. — Vol. 15, no. 7. — P. 3296—3308. — doi:10.1091/mbc.E04-03-0242. — PMID 15146063.
  18. ↑ Hirota T., Gerlich D., Koch B., Ellenberg J., Peters J. M. Distinct functions of condensin I and II in mitotic chromosome assembly (англ.) // Journal of Cell Science[англ.] : journal. — The Company of Biologists[англ.], 2004. — Vol. 117, no. Pt 26. — P. 6435—6445. — doi:10.1242/jcs.01604. — PMID 15572404.
  19. ↑ Kimura K., Hirano M., Kobayashi R., Hirano T. Phosphorylation and activation of 13S condensin by Cdc2 in vitro (англ.) // Science : journal. — 1998. — Vol. 282, no. 5388. — P. 487—490. — doi:10.1126/science.282.5388.487. — PMID 9774278.
  20. ↑ Johzuka K., Terasawa M., Ogawa H., Ogawa T., Horiuchi T. Condensin loaded onto the replication fork barrier site in the rRNA gene repeats during S phase in a FOB1-dependent fashion to prevent contraction of a long repetitive array in Saccharomyces cerevisiae. (англ.) // Mol Cell Biol. : journal. — 2006. — Vol. 26, no. 6. — P. 2226—2236. — doi:10.1128/MCB.26.6.2226-2236.2006. — PMID 16507999.
  21. ↑ Haeusler R. A., Pratt-Hyatt M., Good P. D., Gipson T. A., Engelke D. R. Clustering of yeast tRNA genes is mediated by specific association of condensin with tRNA gene transcription complexes. (англ.) // Genes Dev. : journal. — 2008. — Vol. 22, no. 16. — P. 2204—2214. — doi:10.1101/gad.1675908. — PMID 18708579.
  22. ↑ Hartl T. A., Smith H. F., Bosco G. Chromosome alignment and transvection are antagonized by condensin II. (англ.) // Science : journal. — 2008. — Vol. 322, no. 5906. — P. 1384—1387. — doi:10.1126/science.1164216. — PMID 19039137.
  23. ↑ Bauer C. R., Hartl T. A., Bosco G. Condensin II promotes the formation of chromosome territories by inducing axial compaction of polyploid interphase chromosomes. (англ.) // PLoS Genet[англ.] : journal. — 2012. — Vol. 8, no. 8. — P. e1002873. — doi:10.1371/journal.pgen.1002873. — PMID 22956908.
  24. ↑ Sakamoto T., Inui Y. T., Uraguchi S., Yoshizumi T., Matsunaga S., Mastui M., Umeda M., Fukui K., Fujiwara T. Condensin II alleviates DNA damage and is essential for tolerance of boron overload stress in Arabidopsis. (англ.) // Plant cell : journal. — 2011. — Vol. 23, no. 9. — P. 3533—3546. — doi:10.1105/tpc.111.086314. — PMID 21917552.
  25. ↑ Ono T., Yamashita D., Hirano T. Condensin II initiates sister chromatid resolution during S phase (англ.) // J. Cell Biol.[англ.] : journal. — 2013. — Vol. 200, no. 4. — P. 429—441. — doi:10.1083/jcb.201208008. — PMID 23401001.

Внешние ссылки