I complessi MCM sono barriere che limitano la coesione

Natura volume 606, pagine 197–203 (2022)Citare questo articolo

19k accessi

21 citazioni

120 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

I genomi eucariotici sono compattati in anse e domini topologicamente associati (TAD)1,2,3, che contribuiscono alla trascrizione, alla ricombinazione e alla stabilità genomica4,5. La coesione estrude il DNA in anelli che si ritiene si allunghino fino a incontrare i confini CTCF6,7,8,9,10,11,12. Poco si sa se l'estrusione del loop sia ostacolata dalle macchine legate al DNA. Qui mostriamo che il complesso di mantenimento del minicromosoma (MCM) è una barriera che limita l'estrusione del ciclo nella fase G1. L'Hi-C a nucleo singolo (cattura della conformazione cromosomica ad alta risoluzione) degli zigoti di topo rivela che il caricamento di MCM riduce gli anelli ancorati a CTCF e diminuisce l'isolamento del confine TAD, il che suggerisce che l'estrusione dell'anello è impedita prima di raggiungere CTCF. Questo effetto si estende alle cellule HCT116, in cui gli MCM influenzano il numero di anelli ancorati al CTCF e l'espressione genica. Le simulazioni suggeriscono che le MCM sono barriere abbondanti, posizionate in modo casuale e parzialmente permeabili. L'imaging di singole molecole mostra che gli MCM sono barriere fisiche che spesso limitano la traslocazione della coesione in vitro. In particolare, gli MCM di lievito chimerico che contengono un motivo di interazione di coesione da MCM3 umano inducono una pausa di coesione, indicando che gli MCM sono barriere "attive" con siti di legame. Questi risultati aumentano la possibilità che la coesione possa arrivare mediante estrusione ad anello negli MCM, che determinano i siti genomici in cui viene stabilita la coesione dei cromatidi fratelli. Sulla base dei dati in vivo, in silico e in vitro, concludiamo che distinte barriere di estrusione ad anello modellano il genoma tridimensionale.

I genomi eucariotici sono ripiegati in anelli generati dal mantenimento strutturale delle proteine ​​dei cromosomi (SMC), inclusi i complessi di coesione e condensazione (rivisti in precedenza13). Le strutture che emergono attraverso l'estrusione del loop vengono rilevate dagli esperimenti Hi-C. Si ipotizza che il processo di estrusione formi anelli progressivamente più grandi finché la coesione non incontra una barriera e/o viene rilasciata da Wapl (rif. 9,10,11). La barriera predominante all'estrusione del loop nei vertebrati è CTCF (rif. 12), che ha un ruolo istruttivo nello stabilire strutture mediate dall'estrusione visibili in Hi-C14. Tuttavia, il macchinario di estrusione ad anello incontra altri ostacoli sulla cromatina, come nucleosomi e altri complessi proteici. Sebbene le RNA polimerasi costituiscano barriere mobili per la traslocazione della condensa nei batteri15 e influenzino la traslocazione della coesione negli eucarioti16,17, non è noto come le SMC possano estrudere anelli sui cromosomi eucariotici "occupati" che sono legati da una miriade di proteine. Non è noto se altre proteine ​​legate al DNA possano influenzare l’architettura tridimensionale del genoma negli eucarioti e potrebbero essere fondamentali per comprenderne la funzione.

Il complesso di mantenimento del minicromosoma (MCM) è un'abbondante macchina macromolecolare essenziale per la replicazione del DNA negli eucarioti e negli archaea18. I complessi MCM2-MCM7 (di seguito MCM) vengono caricati alle origini di replicazione dal complesso di riconoscimento dell'origine (ORC), Cdc6 e Cdt1 per formare il complesso di pre-replicazione durante la mitosi e la fase G119. Il doppio esamero MCM testa a testa intrappola topologicamente il DNA a doppio filamento ed è cataliticamente inattivo come elicasi fino all'inizio della replicazione del DNA20. In particolare, sulla cromatina vengono caricati 10-100 volte più MCM di quelli necessari per la progressione della fase S. Questo è definito il “paradosso MCM”21. Un'ipotesi per spiegare questo fenomeno è che i complessi in eccesso segnano origini dormienti che si attivano in condizioni come l'attivazione del checkpoint del danno al DNA22. È stato dimostrato che gli MCM in eccesso proteggono dalle rotture del DNA riducendo la velocità della forca di replicazione23. Non è chiaro se abbiano conseguenze funzionali nella fase G1. Data l'abbondanza di MCM, il loro lungo tempo di permanenza sulla cromatina24 (più di 6 ore) e la loro dimensione paragonabile25 (13 nm) all'elicasi FtsK (12,5 nm) (Extended Data Fig. 1) che può spingere la coesione sul DNA in vitro26, abbiamo chiesto se gli MCM costituiscono ostacoli all'estrusione del loop mediata dalla coesione e in questo modo influenzano l'architettura del genoma.