Комплексы MCM представляют собой барьеры, ограничивающие когезин.

Nature, том 606, страницы 197–203 (2022 г.) Процитировать эту статью

19 тысяч доступов

21 цитат

120 Альтметрика

Подробности о метриках

Геномы эукариот компактированы в петли и топологически ассоциированные домены (TAD)1,2,3, которые способствуют транскрипции, рекомбинации и стабильности генома4,5. Cohesin вытесняет ДНК в петли, которые, как полагают, удлиняются до тех пор, пока не встречаются границы CTCF6,7,8,9,10,11,12. Мало что известно о том, препятствуют ли экструзии петель машины, связанные с ДНК. Здесь мы показываем, что комплекс поддержания минихромосомы (MCM) является барьером, который ограничивает экструзию петли в фазе G1. Одноядерный Hi-C (захват конформации хромосом с высоким разрешением) мышиных зигот показывает, что загрузка MCM уменьшает петли, заякоренные в CTCF, и уменьшает изоляцию границ TAD, что предполагает, что экструзия петли затруднена до достижения CTCF. Этот эффект распространяется на клетки HCT116, в которых MCM влияют на количество заякоренных CTCF петель и экспрессию генов. Моделирование показывает, что МКМ представляют собой многочисленные, случайно расположенные и частично проницаемые барьеры. Визуализация одиночных молекул показывает, что MCM являются физическими барьерами, которые часто ограничивают транслокацию когезина in vitro. Примечательно, что химерные дрожжевые MCM, которые содержат мотив когезинового взаимодействия из человеческого MCM3, вызывают паузу в когезине, указывая на то, что MCM являются «активными» барьерами с сайтами связывания. Эти находки открывают возможность того, что cohesin может достигать путем экструзии петель в MCMs, которые определяют геномные сайты, в которых устанавливается слипание сестринских хроматид. На основании данных in vivo, in silico и in vitro мы пришли к выводу, что различные барьеры экструзии петель формируют трехмерный геном.

Геномы эукариот свернуты в петли, которые образуются за счет структурного поддержания белков хромосом (SMC), включая комплексы когезина и конденсина (рассмотрено ранее13). Структуры, возникающие в результате экструзии петель, обнаруживаются с помощью экспериментов Hi-C. Предполагается, что процесс экструзии приводит к образованию все более крупных петель до тех пор, пока когезин не встретит барьер и/или не будет высвобожден Wapl (ссылки 9,10,11). Преобладающим барьером для экструзии петель у позвоночных является CTCF (ref. 12), который играет поучительную роль в установлении опосредованных экструзией структур, которые видны в Hi-C14. Однако механизм экструзии петель сталкивается с другими препятствиями на хроматине, такими как нуклеосомы и другие белковые комплексы. Хотя РНК-полимеразы являются движущимися барьерами для транслокации конденсина у бактерий15 и влияют на транслокацию когезина у эукариот16,17, остается неизвестным, как SMCs могут вытеснять петли на «занятых» эукариотических хромосомах, которые связаны множеством белков. Могут ли другие связанные с ДНК белки влиять на трехмерную архитектуру генома эукариот, неизвестно, и это может иметь решающее значение для понимания их функции.

Комплекс поддержания минихромосом (MCM) представляет собой обширный макромолекулярный механизм, который необходим для репликации ДНК у эукариот и архей18. Комплексы MCM2-MCM7 (далее MCM) загружаются в начало репликации комплексом распознавания начала (ORC), Cdc6 и Cdt1, чтобы сформировать пререпликационный комплекс во время митоза и фазы G119. Двойной гексамер MCM, расположенный лицом к голове, топологически захватывает двухцепочечную ДНК и каталитически неактивен как хеликаза до инициации репликации ДНК20. Примечательно, что в хроматин загружается в 10–100 раз больше MCM, чем необходимо для прогрессирования S-фазы. Это называется «парадоксом МКМ»21. Одна из гипотез, объясняющих этот феномен, заключается в том, что избыточные комплексы отмечают дремлющие источники, которые активируются в таких условиях, как активация контрольной точки повреждения ДНК22. Было показано, что излишки MCM защищают от разрывов ДНК за счет снижения скорости репликационной вилки23. Имеют ли они какие-либо функциональные последствия в фазе G1, остается неясным. Учитывая обилие MCM, их длительное время пребывания на хроматине24 (более 6 часов) и их размер, сравнимый25 (13 нм) с хеликазой FtsK (12,5 нм) (расширенные данные, рис. 1), которая может продвигать когезин на ДНК in vitro26, мы спросили, являются ли MCM препятствиями для cohesin-опосредованной экструзии петель и, таким образом, влияют ли они на архитектуру генома.