La cohesión de las cromátidas hermanas se refiere al proceso por el cual las cromátidas hermanas se aparean y se mantienen juntas durante ciertas fases del ciclo celular . El establecimiento de la cohesión de las cromátidas hermanas es el proceso por 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 cinetocoros durante la mitosis al obligarlos a mirar hacia polos celulares opuestos. [1]
La cohesina se asocia por primera vez 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. Las CAR son regiones de aproximadamente 500 a 800 pares de bases espaciadas a intervalos de aproximadamente 9 kilobases a lo largo de los cromosomas. En la levadura, las CAR tienden a ser ricas en pares de bases adenina - timina . Las CAR son independientes de los orígenes de replicación . [1] [3]
El establecimiento de la cohesión se refiere al proceso por el cual la cohesión asociada a la cromatina se vuelve competente para la cohesión. La asociación de la cohesión con la cromatina no es suficiente para la cohesión. La cohesión debe sufrir una modificación posterior ("establecimiento") para ser capaz de mantener físicamente unidos a los cromosomas hermanos. [4] Aunque la cohesión puede asociarse con la cromatina en una etapa anterior del ciclo celular, la cohesión se establece durante la fase S. Los primeros datos que sugerían que la fase S es crucial para la cohesión se basaban en el hecho de que después de la fase S, las cromátidas hermanas siempre se encuentran en estado unido. Vincular el establecimiento a la replicación del ADN permite que la célula instituya la cohesión tan pronto como se forman las cromátidas hermanas. Esto resuelve el problema de cómo la célula podría identificar y emparejar adecuadamente las cromátidas hermanas al garantizar que estas nunca se separen una vez que se ha producido la replicación. [1]
El gen Eco1/Ctf7 (levadura) fue uno de los primeros genes que se identificó como específicamente necesario 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 directamente involucradas en la replicación del ADN, incluyendo la pinza de procesividad PCNA , las subunidades de cargador de pinza 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 residuos de lisina en la subunidad Smc3 de la cohesina. Smc3 permanece acetilada hasta al menos la anafase . [4] Una vez que la cohesina se ha eliminado de la cromatina, Smc3 es desacetilada por Hos1. [5]
El gen Pds5 también se identificó en levaduras como necesario para el establecimiento de la cohesión. En humanos, el gen tiene dos homólogos, Pds5A y Pds5B . Pds5 interactúa con la cohesión asociada a la cromatina. Pds5 no es estrictamente específico del establecimiento, ya que es necesario para el mantenimiento de la cohesión durante las fases G2 y M. La pérdida de Pds5 anula el requisito de Eco1. Como tal, a menudo se denomina a Pds5 un factor "antiestablecimiento". [4]
Además de interactuar con la cohesina, Pds5 también interactúa con Wapl (wings apart-like) , otra proteína que ha estado implicada en la regulación de la cohesión de las cromátidas hermanas. Wapl humana se une a la cohesina a través de las subunidades de cohesión 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 la cohesión sugiere que el establecimiento está mediado por el reemplazo de Wapl en el complejo Wapl-Pds5-cohesina con la proteína Sororin . Al igual que Wapl, Sororin contiene un dominio FGF y es capaz de interactuar con Pds5. En este modelo, propuesto por Nishiyama et al ., Wapl interactúa con Pds5 y la cohesina durante G1, antes del establecimiento. Durante la fase S, Eco1 (Esco1/ Esco2 en humanos) acetila Smc3. Esto da como resultado el reclutamiento de Sororin. Sororin luego reemplaza a Wapl en el complejo Pds5-cohesina. Este nuevo complejo es el estado de cohesión competente para la cohesión establecido. Al ingresar a la mitosis, Sororin se fosforila y se reemplaza nuevamente por Wapl, lo que lleva a la pérdida de cohesión. [8] Sororin también tiene actividad de unión a la cromatina independientemente de su capacidad para mediar la cohesión. [9]
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 cohesión específicas de la meiosis . La proteína STAG3 es esencial para la meiosis femenina y la fertilidad . [11] Las cohesinas están involucradas en la recombinación meiótica . [12]
Cada vez hay más pruebas que vinculan 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 posteriormente qué cromosomas son hermanos, ya que garantiza que las cromátidas hermanas nunca se separen después de la replicación. [1]
Otro vínculo significativo 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 está compuesta por las proteínas RFC centrales RFC2 , RFC3 , RFC4 y RFC5 , pero reemplaza la proteína RFC1 con las proteínas específicas de cohesión Ctf8 , Ctf18 y Dcc1 . Una RFC alternativa específica de función similar (que reemplaza RFC1 con Rad24) desempeña un papel en el punto de control del daño del ADN. La presencia de una RFC alternativa en la vía de cohesión puede interpretarse como evidencia en apoyo del modelo de cambio de polimerasa para el establecimiento de la cohesión. [13] Al igual que la RFC sin cohesión, la RFC con cohesión carga PCNA en el ADN. [14]
Algunas de las evidencias 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, ya sea física o genéticamente. [4] [15] Los estudios también han encontrado proteínas vinculadas a la replicación que influyen en la cohesión independientemente de Eco1. [16] La subunidad Ctf18 de la RFC específica de cohesión puede interactuar con las subunidades de cohesión Smc1 y Scc1. [14]
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 et al . demostraron que Trf4 es en realidad una ADN polimerasa , a la que llamaron Polimerasa κ. [17] Esta polimerasa también se conoce como Polimerasa σ. En el mismo artículo en el que identificaron Pol σ, Wang et al . sugirieron un modelo de cambio de polimerasa para el establecimiento de la cohesión. [17] En este modelo, al llegar a un CAR, la célula cambia las ADN polimerasas en un mecanismo similar al utilizado en la síntesis del fragmento 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 la RFC específica de la cohesión podría funcionar en la descarga o carga de PNCA y polimerasas en dicho cambio. [1]
Se han observado cambios en los patrones de cohesión de las cromátidas hermanas en casos de daño del ADN. La cohesina es necesaria para la reparación de las roturas de doble cadena 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 la rotura. Por lo tanto, es posible que la cohesión sea necesaria para este proceso porque asegura que las cromátidas hermanas estén físicamente lo suficientemente cerca para sufrir HR. El daño del ADN puede conducir a la carga de cohesina en sitios que no son CAR y al establecimiento de la 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 de ataxia telangiectasia mutada (ATM). [18] ATM es una quinasa clave en el punto de control del daño del ADN. Los defectos en la cohesión pueden aumentar la inestabilidad del genoma , [19] 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 del ADN inducidos por mitomicina C ocurre mediante un proceso de cohesión de cromátidas hermanas que involucra a la proteína RecN. [20] La interacción de las cromátidas hermanas seguida de recombinación homóloga parece contribuir significativamente a la reparación de los daños de la doble cadena del ADN.
Los defectos en el establecimiento de la cohesión de las cromátidas hermanas tienen graves consecuencias para la célula y, por lo tanto, están relacionados con muchas enfermedades humanas. La falta de establecimiento correcto de la cohesión o la pérdida inadecuada de la misma pueden conducir a una segregación incorrecta de los cromosomas durante la mitosis, lo que da lugar a aneuploidía . La pérdida de los homólogos humanos de las proteínas de cohesión central o de Eco1, Pds5, Wapl, Sororin o Scc2 se ha relacionado con el cáncer . Las mutaciones que afectan a la cohesión y al establecimiento de la cohesión también son responsables del síndrome de Cornelia de Lange y del síndrome de Roberts . Las enfermedades que surgen de defectos en la cohesión u otras proteínas implicadas en la cohesión de las cromátidas hermanas se denominan cohesinopatías. [19]
Las alteraciones genéticas en los genes NIPBL , SMC1A , SMC3 , RAD21 y HDAC8 están asociadas con el síndrome de Cornelia de Lange. [21] 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.