Usuario:Aarón Mayo/Taller

Dissociation of sister chromatid cohesion[edit]

The anaphase promoting complex associated to Cdc20 (APC/C-cdc20) marks Securin (anaphase inhibitor) for degradation by the proteasome. Securin is cleaved at anaphase, following APC/C-cdc20 mediated degradation, and it renders separase (a protease, inhibited by the association with securin) to cleave the kleisin subunit. An alpha-kleisin is associated with the cohesin complex, linking both SMC 3 and SMC 1 together, with the exact kleisin varying between mitosis and meiosis (Scc1 and Rec8 respectively), and its cleavage ultimately leads to the removal of cohesin from chromosomes.

Disociación de la cohesión de las cromátidas hermanas

El complejo promotor de la anafase asociado a Cdc20 (APC/C-cdc20) marca la securina (inhibidor de la anafase) para su degradación por el proteasoma. La securina se escinde en la anafase tras la degradación mediada por APC/C-cdc20, generando separasa (una proteasa, inhibida por la asociación con securina) para escindir la subunidad kleisin. Una alfa-kleisina se asocia con el complejo de cohesina, uniendo a SMC3 y a SMC1. Los niveles de kleisina varían entre la mitosis y la meiosis (Scc1 y Rec8 respectivamente), y, finalmente, su escisión conduce a la eliminación de la cohesina en los cromosomas.

Dissociation of sister chromatids cohesion defines anaphase onset, which establishes two sets of identical chromosomes at each pole of the cell (telophase). Then the two daughter cells separate, and a new round of the cell cycle freshly starts in each one, at the stage of G0. When cells are ready to divide, because cell size is big enough or because they receive the appropriate stimulus, they activate the mechanism to enter into the G1 stage of cell cycle, and they duplicate most organelles during S (synthesis) phase, including their centrosome. Therefore, when the cell division process will end, each daughter cell will receive a complete set of organelles. At the same time, during S phase all cells must duplicate their DNA very precisely, a process termed DNA replication. Once DNA replication has finished, in eukaryotes the DNA molecule is compacted and condensed, to form the mitotic chromosomes, each one constituted by two sister chromatids, which stay held together by the establishment of cohesion between them; each chromatid is a complete DNA molecule, attached via microtubules to one of the two centrosomes of the dividing cell, located at opposed poles of the cell. To avoid premature sister chromatid separation, the APC/C is maintained in an inactive state bound to different molecules, which are part of a complex mechanism termed the spindle assembly checkpoint.

La disociación de la cohesión de las cromátidas hermanas define el inicio de la anafase, lo que establece dos conjuntos de cromosomas idénticos en cada polo de la célula (telofase). Entonces, las dos células hijas se separan y comienza un nuevo ciclo celular en cada una, en el estadío G0. Cuando las células están listas para dividirse al alcanzar un tamaño adecuado o al recibir el estímulo apropiado, activan el mecanismo para entrar en el estadío G1 del ciclo celular, duplicando la mayoría de los orgánulos durante la fase S (síntesis), incluyendo los centrosomas. Así, al terminar la división celular, cada célula hija recibe un conjunto completo de orgánulos. Al mismo tiempo, durante la fase S todas las células deben duplicar su ADN de manera precisa, proceso denominado replicación del ADN. Una vez ha terminado la replicación, en las células eucariotas la molécula del ADN se compacta y condensa, formando los cromosomas mitóticos, cada uno constituido de dos cromátidas hermanas, las cuales se mantienen unidas por el establecimiento de la cohesina entre ellas; cada cromátida es una molécula completa de ADN, unida por microtúbulos a uno de los dos centrosomas de la célula en división, y localizada en polos opuestos de la célula. Para evitar la separación prematura de las cromátidas hermanas, la APC/C se mantiene en un estado inactivo unida a diferentes moléculas, que son parte de un mecanismo complejo denominado punto de control de la mitosis.

Mechanism of Sister Chromatid Cohesion[edit]

It is not clear how the cohesin ring links sister chromatids together. There are two possible scenarios:

1. Cohesin subunits bind to each sister chromatid and form a bridge between the two.
2. Since cohesin has a ring structure, it is able to encircle both sister chromatids.

Current evidence suggests that the second scenario is the most likely. Proteins that are essential for sister chromatid cohesion, such as Smc3 and Scc1, do not regulate the formation of covalent bonds between cohesin and DNA, indicating that DNA interaction is not sufficient for cohesion. In addition, disturbing the ring structure of cohesin through cleavage of Smc3 or Scc1 triggers premature sister chromatid segregation in vivo. This shows that the ring structure is important for cohesin’s function.

Mecanismo de la cohesión de las cromátidas hermanas

No está claro como el anillo de la cohesina une las cromátidas hermanas. Hay dos escenarios posibles:

1. Las subunidades de la cohesina se unen a cada cromátida hermana y forma un puente entre ambas.
2. Teniendo en cuenta la estructura en anillo de la cohesina, esta es capaz de rodea ambas cromátidas hermanas.

Evidencias actuales sugieren que el segundo escenario es el más probable. Las proteínas que son esenciales para la cohesión de las cromátidas hermanas, tales como Smc3 y Scc1, no regulan la formación de enlaces covalentes entre la cohesina y el ADN, indicando que la interacción del ADN no es suficiente para la cohesión. Además, las perturbaciones en la estructura en anillo mediante la escisión de Smc3 o Scc1 desencadena la segregación de las cromátidas hermanas in vivo. Esto muestra que la estructura en anillo es importante para la función de la cohesina.

Early studies suggested various ways in which cohesin may entrap DNA, including as a monomer that holds both homologues together, and a "hand-cuff" model where two intertwining cohesin complexes each hold one sister chromatid. While some studies support the idea of a hand-cuff model, the model is inconsistent with a number of experimental observations, and is generally considered to entrap chromatin as a monomer.

Even though the ring hypothesis appears to be valid, there are still questions about the number of rings required to hold sister chromatids together. One possibility is that one ring surrounds the two chromatids. Another possibility involves the creation of a dimer where each ring surrounds one sister chromatid. The two rings are connected to each other through formation of a bridge that holds the two sister chromatids together.

Los primeros estudios sugerían diferentes maneras por las cuales la cohesina puede atrapar el ADN, incluso como un monómero que mantiene juntos ambos homólogos y un modelo "esposa" en el que dos complejos de cohesina entrelazados contienen cada uno una cromátida hermana. Si bien algunos estudios apoyan la idea de un modelo "esposa", el modelo es inconsistente con diferentes observaciones experimentales, y, en general, se considera que atrapa la cromátida como un monómero.

Aunque la hipótesis del anillo parece ser valida, aún existen dudas sobre el número de anillos necesarios para mantener unidas las cromátidas hermanas. Una posibilidad es que un anillo rodee las dos cromátidas. Otra involucra la creación de un dímero, donde cada anillo rodea una cromátida hermana. Los dos anillos se conectan entre si mediante la formación de un puente que mantiene las dos cromátidas hermanas unidas.

The topology and structure of these subunits has been best characterized in budding yeast, but the sequence conservation of these proteins and biochemical and electron microscopic observations imply that cohesin complexes in other species are very similar in their structure, [1].

The cohesin complex is established during the initial stages of S-phase. The complexes associate with chromosomes before DNA replication occurs. Once cells start replicating their DNA, cohesin rings close and link the sister chromatids together. Cohesin complexes must be present during S-phase in order for cohesion to take place. It is unclear, however, how cohesin is loaded on the chromosomes during G1. There are two proposed hypotheses so far:

1. The ATPase domain of the SMC proteins interacts with DNA and this interaction initially mediates the loading of cohesin complexes on chromosomes.
2. Several proteins aid in the loading process. For example, Scc2 and Scc4 are both required for cohesin to load in budding yeast.

La topología y estructura de estas subunidades se ha caracterizado mejor en levadura en división. Sin embargo, la conservación de la secuencia de estas proteínas y las observaciones bioquímicas y de microscopía electrónica implican que los complejos de cohesina en otras especies tienen una estructura muy similar.

El complejo de la cohesina se establece durante los estadios iniciales de la fase S. Los complejos se asocian con los cromosomas mientras que ocurre la replicación del ADN. Una vez que las células empieza la replicación, los anillos de cohesina se cierran y enlazan las cromátidas hermanas. Los complejos deben estar presentes durante la fase S para que tenga lugar la cohesión. No está claro cómo se coloca la cohesina en los cromosomas durante la fase G1. Existen dos hipótesis propuestas hasta el momento:

1. El dominio ATPasa de las proteínas SMC interactúa con el ADN, mediando inicialmente la colocación de los complejos de cohesina en los cromosomas.
2. Diferentes proteínas ayudan en la colocación de la cohesina. Por ejemplo, tanto Scc2 como Scc4 se requieren para la colocación de la cohesina en levadura en división.

Localization of cohesin rings[edit]

Cohesin binding along the chromosomal DNA is considered to be dynamic and its location changes based on gene transcription, specific DNA sequence and presence of chromosome-associated proteins. There are three possible scenarios:

1. Cohesin location is influenced by the orientation of neighboring genes and it is most frequently located in areas of convergent transcription. Gene orientation depends on the direction of transcription and can be of three types: head-to-head, head-to-tail and tail-to-tail. The tail-to-tail configuration results in the convergence of transcription machinery. One hypothesis states that the RNA polymerase “pushes” cohesin along the DNA, causing them to move towards the direction of the RNA polymerases. Changing the transcription pattern of genes changes the location of cohesin indicating that localization of cohesin may depend on transcription.
2. In another model, chromatin loop extrusion is pushed by transcription generated supercoiling ensuring also that cohesin relocalizes quickly and loops grow with reasonable speed and in a good direction. In addition, the supercoiling-driven loop extrusion mechanism is consistent with earlier explanations proposing why topologically associating domains (TADs) flanked by convergent CTCF binding sites form more stable chromatin loops than TADs flanked by divergent CTCF binding sites. In this model, the supercoiling also stimulates enhancer promoter contacts and it is proposed that transcription of eRNA sends the first wave of supercoiling that can activate mRNA transcription in a given TAD.
3. A few cohesin rings are found in chromosome arms that have AT-rich DNA sequences indicating that DNA sequence may be an independent factor of cohesin binding.
4. Cohesin rings, especially in budding yeast, are also located in the region surrounding the centromere. Two hypotheses may explain this: the presence of repetitive heterochromatic DNA in centromeres and the presence of chromosome-associated proteins. For example, Schizosaccharomyces pombe have multiple copies of specific heterochromatic DNA whose involvement in cohesion binding has been proven. Budding yeast lacks repetitive sequences and, therefore, requires a different mechanism for cohesion binding. Evidence suggests that binding of cohesin to the budding yeast centromere region depends on chromosome-associated proteins of the kinetochore that mediate cohesion association to pericentric regions (the kinetochore is an enhancer of pericentric cohesin binding).

Localización de los anillos de cohesina

Se cree que la unión de la cohesina a lo largo del ADN cromosómico es dinámica y su localización cambia en función de la transcripción génica, secuencias específicas de ADN y presencia de proteínas asociadas a los cromosomas.

Existen tres escenarios posibles:

1. La localización de la cohesina está influenciada por la orientación de los genes vecinos y se localiza más frecuentemente en regiones de transcripción convergente. La orientación génica depende de la dirección de la transcripción y puede ser de tres tipos: cabeza-a-cabeza, cabeza-a-cola, cola-a-cola. La configuración cola-a-cola da como resultado la convergencia de la maquinaria de transcripción. Una hipótesis establece que la ARN polimerasa empuja la cohesina a lo largo del ADN, causando que se mueva en la misma dirección. Las alteraciones en el patrón de transcripción génica cambian la localización de la cohesina, indicando que esta depende de la transcripción.
2. En otro modelo, la expulsión de los bucles de cromatina es consecuencia del superenrollamiento, producto de la transcripción, asegurando que la cohesina se relocaliza rapidamente y que los bucles crecen rápido y en dirección adecuada. Además, el mecanismo de expulsión de bucles por superenrollamiento es consistente con anteriores explicaciones que proponían por qué los dominios asociados topológicamente (TADs) flanqueados por sitios de unión de CTCF convergentes forman bucles de cromatina más estables que los TADs flanqueados por sitios de unión de CTCF divergentes. En este modelo, el superenrollamiento también estimula contactos enhancer-promotor. Se ha propuesto que la transcripción de eARN envía la primera oleada de superenrollamiento que puede activar la transcripción del ARNm en un TAD.
3. Pocos anillos de cohesina se encuentran en los brazos de los cromosomas con secuencias ricas en AT, indicando que la secuencia del ADN puede ser un factor independiente de la unión de la cohesina.
4. Los anillos de cohesina, especialmente en levaduras en división, también se localizan in regiones alrededor del centrómero. Dos hipótesis podrían explicar esto: 1) La presencia de ADN heterocromático repetitivo en los centrómeros y la presencia de proteínas asociadas a los cromosomas. Por ejemplo, Schizosaccharomyces pombre tiene múltiples copias de ADN heterocromático específico, cuya implicación en la unión de la cohesina está demostrada. Las levaduras en división carecen de secuencias repetitivas y, por lo tanto, requieren de un mecanismo diferentes para la unión de la cohesina. Investigaciones sugieren que la unión de la cohesina a la región de los centrómeros en levaduras en división depende de las proteínas asociadas a cromosomas del cinetocoro, las cuales median en la asociación de la cohesina a regiones pericéntricas (el cinetocoro es un potenciador de la unión pericéntrica de la cohesina).

Cohesin and CTCF[edit]

Many chromatin loops are formed by so called loop extrusion mechanism, when the cohesin ring moves actively along the two DNA double helices, translocating one of them with respect to the other. Thus, the loop can become smaller or larger. The loop extrusion process stops when cohesin encounters the architectural chromatin protein CTCF. The CTCF site needs to be in a proper orientation to stop cohesin.

Cohesina y CTCF

Múltiples bucles de cromatina se forman por el mecanismo de expulsión de bucles cuando el anillo de cohesina se mueve activamente a lo largo de las dos dobles hélices de ADN, translocando una de ellas respecto a la otra. De esta manera, el bucle puede reducirse o agrandarse. Este proceso se detiene cuando la cohesina encuentra la proteína CTCF, encargada de mantener la arquitectura de la cromatina. El sitio de unión de CTCF necesita estar en una posición adecuada para detener a la cohesina.

Meiosis[edit]

Cohesin proteins SMC1β, SMC3, REC8 and STAG3 appear to participate in cohesion of sister chromatids throughout the meiotic process in human oocytes. SMC1β, REC8 and STAG3 proteins are meiosis specific cohesins.

The STAG3 protein appears to be essential for female meiosis. A homozygous frameshift mutation in the Stag3 gene was identified in a large consanguineous family with premature ovarian failure. Also, female mice deficient in STAG3 are sterile, and their fetal oocytes arrest at early prophase 1.

Meiosis

Las proteínas de la cohesina SMC1β, SMC3, REC8 y STAG3 parecen participan en la cohesión de las cromátidas hermanas durante la meiosis de oocitos humanos. SMC1β, REC8 y STAG3 son específicas de la meiosis.

La proteína STAG3 parece ser esencial para la meiosis femenina. Una mutación homocigótica de cambio en el marco de lectura en el gen Stag3 fue identificada en una familia con alto grado de consanguinidad y fallo de ovario prematuro. También, los ratones hembra deficientes en STAG3 son estériles, y sus oocitos fetales se detienen en la profase 1 temprana.

Evolution[edit]

Cohesin structure and function has been conserved in evolution. The SMC proteins are found in prokaryotes and have been conserved through evolution. The coils of SMC1 and SMC3 are conserved with an amino acid divergence of less than 0.5%.

Evolución

La estructura y función de la cohesina está conservada en la evolución. Las proteínas SMC se encuentran en procariotas. Las hélices alfa de SMC1 y SMC3 se conservan con una divergencia en su secuencia de aminoácidos de menos del 0,5 %.

Nombre	Saccharomyces cerevisiae	Schizosaccharomyces pombe	Drosophila	Vertebrados
Smc1	Smc1	Psm1	DmSmc1	Smc1
Smc3	Smc3	Psm3	DmSmc3	Smc3
Scc1	Mcd1/Pds3	Rad21	DmRad21	Rad21
Scc3	Scc3	Psc3	DmSA	SA1 and SA2

Clinical significance[edit]

The term "cohesinopathy" has been used to describe conditions affecting the cohesin complex.

These conditions include:

• Cornelia de Lange Syndrome
• Roberts syndrome
• Warsaw breakage syndrome
• Many types of malignancies

Relevancia clínica

El término cohesinopatía se ha utlizado para describir condiciones que afecten al complejo de la cohesina.

Estas condiciones incluyen:

• Síndrome de Cornelia de Lange
• Síndrome de Roberts
• Síndrome de rotura de varsovia
• Múltiples tipos de cáncer