La cohesión de las cromátidas hermanas se refiere al proceso mediante el cual las cromátidas hermanas se emparejan y se mantienen juntas durante ciertas fases del ciclo celular . El establecimiento de la cohesión de las cromátidas hermanas es el proceso mediante el cual la proteína cohesina asociada a la cromatina se vuelve competente para unir físicamente las cromátidas hermanas. En general, la cohesión se establece durante la fase S a medida que se replica el ADN y se pierde cuando los cromosomas se segregan durante la mitosis y la meiosis . Algunos estudios han sugerido que la cohesión ayuda a alinear los cinetocorosdurante la mitosis al obligar a los cinetocoros a enfrentarse a polos celulares opuestos. [1]
Carga de cohesina
Cohesin se asocia primero con los cromosomas durante la fase G1 . El anillo de cohesina está compuesto por dos proteínas SMC (mantenimiento estructural de los cromosomas) y dos proteínas Scc adicionales. La cohesina puede interactuar originalmente con los cromosomas a través de los dominios ATPasa de las proteínas SMC. En la levadura, la carga de cohesina en los cromosomas depende de las proteínas Scc2 y Scc4. [2]
La cohesina interactúa con la cromatina en lugares específicos. Se observan altos niveles de unión de cohesina en el centrómero . La cohesina también se carga en las regiones de unión de cohesina (CAR) a lo largo de los cromosomas. Los CAR son regiones de aproximadamente 500-800 pares de bases espaciadas a intervalos de aproximadamente 9 kilobase a lo largo de los cromosomas. En la levadura, los CAR tienden a ser ricos en pares de bases de adenina - timina . Los CAR son independientes de los orígenes de replicación . [1] [3]
Establecimiento de cohesión
El establecimiento de la cohesión se refiere al proceso mediante el cual la cohesina asociada a la cromatina se vuelve competente para la cohesión. La asociación de cromatina de cohesina no es suficiente para la cohesión. La cohesina debe sufrir una modificación posterior ("establecimiento") para poder mantener físicamente unidos los cromosomas hermanos. [4] Aunque la cohesina se puede asociar con la cromatina más temprano en el ciclo celular, la cohesión se establece durante la fase S. Los primeros datos que sugieren que la fase S es crucial para la cohesión se basaron en el hecho de que después de la fase S, las cromátidas hermanas siempre se encuentran en el estado unido. Vincular el establecimiento a la replicación del ADN permite que la célula instituya la cohesión tan pronto como se formen las cromátidas hermanas. Esto resuelve el problema de cómo la célula podría identificar y emparejar correctamente las cromátidas hermanas asegurándose de que las cromátidas hermanas nunca se separen una vez que se haya producido la replicación. [1]
El gen Eco1 / Ctf7 (levadura) fue uno de los primeros genes en ser identificado como específicamente requerido para el establecimiento de la cohesión. Eco1 debe estar presente en la fase S para establecer la cohesión, pero su presencia continua no es necesaria para mantener la cohesión. [1] Eco1 interactúa con muchas proteínas que participan directamente en la replicación del ADN, incluida la procesividad clamp PCNA , las subunidades del cargador de clamp y una helicasa de ADN. Aunque Eco1 contiene varios dominios funcionales, es la actividad acetiltransferasa de la proteína la que es crucial para el establecimiento de la cohesión. Durante la fase S, Eco1 acetila los residuos de lisina en la subunidad Smc3 de la cohesina. Smc3 permanece acetilado hasta al menos la anafase . [4] Una vez que se ha eliminado la cohesina de la cromatina, Hos1 desacetila Smc3. [5]
El gen Pds5 también se identificó en la levadura como necesario para el establecimiento de la cohesión. En los seres humanos, el gen tiene dos homólogos, Pds5A y Pds5B . Pds5 interactúa con la cohesina asociada a la cromatina. Pds5 no es estrictamente establecimiento específico, como Pds5 es necesaria para el mantenimiento de la cohesión durante G2 y M fase . La pérdida de Pds5 niega el requisito de Eco1. Como tal, el Pds5 a menudo se denomina factor "anti-establecimiento". [4]
Además de interactuar con la cohesina, Pds5 también interactúa con Wapl (similar a alas separadas) , otra proteína que se ha implicado en la regulación de la cohesión de las cromátidas hermanas. La Wapl humana se une a la cohesina a través de las subunidades de cohesina Scc (en humanos, Scc1 y SA1). Wapl se ha relacionado con la pérdida de cohesina de las cromátidas durante la fase M. [6] Wapl interactúa con Pds5 a través de motivos de secuencia de fenilalanina - glicina - fenilalanina (FGF). [7]
Un modelo de establecimiento de cohesión sugiere que el establecimiento está mediado por el reemplazo de Wapl en el complejo Wapl-Pds5-cohesina con la proteína Sororin . Como Wapl, Sororin contiene un dominio FGF y es capaz de interactuar con Pds5. En este modelo, presentado por Nishiyama et al ., Wapl interactúa con Pds5 y cohesin durante G1, antes del establecimiento. Durante la fase S, Eco1 (Esco1 / Esco2 en humanos) acetila Smc3. Esto resulta en el reclutamiento de Sororin. Sororin luego reemplaza a Wapl en el complejo Pds5-cohesina. Este nuevo complejo es el estado de cohesión establecido y competente para la cohesión. Al entrar en la mitosis, Sororin se fosforila y se reemplaza nuevamente por Wapl, lo que conduce a la pérdida de cohesión. [8] Sororin también tiene actividad de unión a cromatina independiente de su capacidad para mediar la cohesión. [9]
Mitosis
Las proteínas de cohesión SMC1ß , SMC3 , REC8 y STAG3 parecen participar en la cohesión de las cromátidas hermanas a lo largo del proceso meiótico en los ovocitos humanos . [10] SMC1ß, REC8 y STAG3 son proteínas de cohesina específicas de la meiosis . La proteína STAG3 es esencial para la meiosis y la fertilidad femenina . [11]
Vínculos con la replicación del ADN
Un creciente cuerpo de evidencia vincula el establecimiento de la cohesión con la replicación del ADN. Como se mencionó anteriormente, el acoplamiento funcional de estos dos procesos evita que la célula tenga que distinguir más tarde qué cromosomas son hermanos al garantizar que las cromátidas hermanas nunca se separen después de la replicación. [1]
Otro vínculo importante entre la replicación del ADN y las vías de cohesión es a través del factor de replicación C (RFC). Este complejo, el "cargador de pinzas", es responsable de cargar PCNA en el ADN. Se requiere una forma alternativa de RFC para la cohesión de la cromatina hermana. Esta forma alternativa se compone de proteínas RFC centrales RFC2 , RFC3 , RFC4 y RFC5 , pero reemplaza la proteína RFC1 con proteínas específicas de cohesión Ctf8 , Ctf18 y Dcc1 . Una RFC alternativa específica de función similar (que reemplaza RFC1 con Rad24) juega un papel en el punto de control de daños en el ADN. La presencia de un RFC alternativo en la vía de cohesión puede interpretarse como evidencia en apoyo del modelo de cambio de polimerasa para el establecimiento de cohesión. [12] Al igual que el RFC sin cohesión, el RFC de cohesión carga PCNA en el ADN. [13]
Algunas de las pruebas que vinculan la cohesión y la replicación del ADN provienen de las múltiples interacciones de Eco1. Eco1 interactúa con PCNA, subunidades RFC y una helicasa de ADN, Chl1, física o genéticamente. [4] [14] Los estudios también han encontrado proteínas ligadas a la replicación que influyen en la cohesión independientemente de Eco1. [15] La subunidad Ctf18 del RFC específico de cohesión puede interactuar con las subunidades de cohesina Smc1 y Scc1. [13]
Modelo de interruptor de polimerasa
Aunque la proteína se identificó originalmente como un factor redundante de la topoisomerasa I, más tarde se demostró que el producto del gen TRF4 era necesario para la cohesión de las cromátidas hermanas. Wang y col . mostró que Trf4 es en realidad una ADN polimerasa , a la que llamaron polimerasa κ. [16] Esta polimerasa también se conoce como polimerasa σ. En el mismo artículo en el que identificaron Pol σ, Wang et al . sugirió un modelo de cambio de polimerasa para el establecimiento de la cohesión. [16] En este modelo, al llegar a un CAR, la célula cambia las ADN polimerasas en un mecanismo similar al utilizado en la síntesis de fragmentos de Okazaki . La célula descarga la polimerasa de replicación procesiva y, en su lugar, utiliza Pol σ para la síntesis de la región CAR. Se ha sugerido que el RFC específico de cohesión podría funcionar en la descarga o en la carga de PNCA y polimerasas en dicho conmutador. [1]
Vínculos con las vías de daño del ADN
Se han observado cambios en los patrones de cohesión de las cromátidas hermanas en casos de daño del ADN. Se requiere cohesina para la reparación de roturas de doble hebra del ADN (DSB). Un mecanismo de reparación de DSB, la recombinación homóloga (HR), requiere la presencia de la cromátida hermana para la reparación en el sitio de rotura. Por lo tanto, es posible que se requiera cohesión para este proceso porque asegura que las cromátidas hermanas estén físicamente lo suficientemente cerca para experimentar HR. El daño del ADN puede conducir a la carga de cohesina en sitios que no son CAR y al establecimiento de cohesión en estos sitios incluso durante la fase G2. En presencia de radiación ionizante (IR), la subunidad Smc1 de la cohesina es fosforilada por la quinasa ataxia telangiectasia mutada (ATM). [17] ATM es una quinasa clave en el punto de control de daños en el ADN. Los defectos en la cohesión pueden aumentar la inestabilidad del genoma , [18] un resultado consistente con los vínculos entre la cohesión y las vías de daño del ADN.
En la bacteria Escherichia coli , la reparación de los daños en el ADN inducidos por mitomicina C se produce mediante un proceso de cohesión de cromátidas hermanas que involucra a la proteína RecN. [19] La interacción de la cromátida hermana seguida de la recombinación homóloga parece contribuir significativamente a la reparación de los daños de la doble hebra del ADN.
Relevancia médica
Los defectos en el establecimiento de la cohesión de las cromátidas hermanas tienen graves consecuencias para la célula y, por lo tanto, están vinculados a muchas enfermedades humanas. La falta de establecimiento de la cohesión correctamente o la pérdida inadecuada de cohesión puede conducir a una mala segregación de los cromosomas durante la mitosis, lo que resulta en aneuploidía . La pérdida de los homólogos humanos de las proteínas cohesinas centrales o de Eco1, Pds5, Wapl, Sororin o Scc2 se ha relacionado con el cáncer . Las mutaciones que afectan la cohesión y el establecimiento de la cohesión también son responsables del síndrome de Cornelia de Lange y el síndrome de Roberts . Las enfermedades que surgen de defectos en la cohesina u otras proteínas involucradas en la cohesión de las cromátidas hermanas se denominan cohesinopatías. [18]
Síndrome de Cornelia de Lange
Las alteraciones genéticas en los genes NIPBL , SMC1A , SMC3 , RAD21 y HDAC8 están asociadas con el síndrome de Cornelia de Lange. [20] Todas las proteínas codificadas por estos genes funcionan en la vía de cohesión cromosómica que se emplea en la cohesión de las cromátidas hermanas durante la mitosis , la reparación del ADN , la segregación cromosómica y la regulación de la expresión génica del desarrollo. Los defectos en estas funciones probablemente subyacen a muchas de las características del síndrome de Cornelia de Lang.
Referencias
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