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Proteínas SMC

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a) Microscopia electrónica de dímeros Smc1-Smc3 de Xenopus, muestra la estructura en forma de V típica de las proteínas SMC. La región de "bisagra" flexible está en la parte inferior de la V, y en la superior, los dos dominios globulares ATPasa. La flecha indica un codo que a veces se observa en uno de los brazos.[1]​ b) La adición de las dos subunidades no SMC (Scc1 y Scc3) en el complejo de la cohesina causa un aspecto de estructura globular al lado de las dos cabezas del dímero Smc1-Smc3.[1]​ c) La estructura lineal de una proteína SMC incluye dos dominios globulares en cada extremo, unidos por una secuencia larga y repetitiva y un dominio central de dimerización o "bisagra". Cuando la proteína SMC se pliega, los dos dominios en los extremos se unen para formar un dominio completo ATPasa, mientras que las regiones de los brazos forman un bucle en espiral. El dominio de "bisagra" que se forma en el otro extremo de cada brazo interacciona con la otra proteína SMC. En la cohesina, esto genera la formación del heterodímero Smc1-Smc3. d) La unión de ATP promueve la unión de los dos dominios ATPasa, cerrando el anillo SMC. La proteína no SMC Scc1 interacciona con dos dominios ATPasa y los mantiene unidos. La escisión de Scc1 en la anafase abre el anillo. e) El complejo de la cohesina puede formar un anillo de 50 nm alrededor de las dos cromátidas hermanas. Sin embargo, debido a su pequeño tamaño, este anillo solo podría enlazar ADN nucleosomal y no estructuras más complejas de la cromatina.

Las proteínas SMC (Structural Maintenance of Chromosomes, por sus siglas en inglés). Son proteínas ATPasas diméricas presentes en todos los organismos (tanto procariotas como eucariotas) que se encargan de mantener la estructura condensada de los cromosomas, para lo cual necesitan ATP (es decir, gasto energético).[2]​[3]​[4]​

Clasificación

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Proteínas SMC en eucariotas

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En eucariotas se conocen tres tipos de proteínas SMC:

  1. Cohesina: Complejo proteico compuesto por las proteínas SMC1 y SMC3, además de las asociadas Scc1 y Scc3. Se encarga de unir las cromátidas hermanas inmediatamente después de la replicación, mantenerlas unidas cuando los cromosomas se condensan en la metafase (mitosis y meiosis) y asegurar su correcta segregación a los polos celulares opuestos.[5]​[6]​[7]​ SMC1 y SMC3 también están involucradas en la reparación de la doble hebra de ADN en la recombinación homóloga.[8]​
  2. Condensina: Complejo proteico compuesto por SMC2 y SMC4, además de proteínas HEAT y kleisinas asociadas. Esencial para la condensación de los cromosomas antes de la mitosis celular.[9]​[10]​ SMC2 y SMC4 también están involucradas en la reparación del ADN. La condensina I participa en la reparación de roturas de hebra simple pero no de hebra doble. Al contrario, la condensina II participa en la recombinación homóloga.[8]​
  3. Complejo SMC5/6: Tiene diferentes funciones a nivel de reparación del ADN, y del mantenimiento de la integridad de los cromosomas.[11]​

La siguiente tabla muestra los nombres de proteínas SMC para diferentes organismos modelo y vertebrados:[12]​

Subfamilia Complejo proteico S. cerevisiae S. pombe C. elegans D. melanogaster Vertebrados
SMC1α Cohesina Smc1 Psm1 SMC-1 DmSmc1 SMC1α
SMC2 Condensina Smc2 Cut14 MIX-1 DmSmc2 CAP-E/SMC2
SMC3 Cohesina Smc3 Psm3 SMC-3 DmSmc3 SMC3
SMC4 Condensina Smc4 Cut3 SMC-4 DmSmc4 CAP-C/SMC4
SMC5 SMC5-6 Smc5 Smc5 C27A2.1 CG32438 SMC5
SMC6 SMC5-6 Smc6 Smc6/Rad18 C23H4.6

F54D5.14

CG5524 SMC6
SMC1β Cohesina (Meiosis) - - - - SMC1β
SMC4

(variante)

Complejo de compensación

de dosis (DCC)

- - DPY-27 - -

Proteínas SMC en procariotas

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Las proteínas SMC se encuentran conservadas evolutivamente, desde las bacterias hasta el ser humano.[13]​[14]​ La mayoría de las bacterias tienen una única proteína SMC por especie que forma un homodímero.[15]​[16]​ Se ha comprobado recientemente que las proteínas SMC ayudan en la correcta segregación del ADN en las células hijas al comienzo de la replicación. En un subtipo de bacterias gramnegativas, que incluye a Escherichia coli, la proteína MukB, lejanamente emparentada evolutivamente, cumple un rol equivalente.[17]​

Estructura molecular

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Estructura de un dímero de Proteínas SMC

Estructura primaria

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Las proteínas SMC tienen una longitud de 1000 - 1500 aminoácidos. Presentan una estructura modular, basada en los siguientes dominios:

  1. Motivo de unión a ATP, tipo bucle P
  2. Hélice superenrollada I
  3. Región bisagra
  4. Hélice superenrollada II
  5. Motivo de unión a ATP, tipo bucle P; motivo firma

Los dímeros de proteínas SMC constituyen una molécula en forma de V, con dos brazos largos de hélices superenrolladas.[18]​[19]​ Para formar esta estructura, un protómero se pliega sobre sí mismo mediante interacciones antiparalelas de las hélices, creado una molécula en forma de varilla. En un extremo de esta molécula, los extremos C- y N-terminal crean un dominio de unión a ATP. El otro extremo es el dominio bisagra. Entonces, dos protómeros se unen en sus respectivos dominios bisagra, creando un dímero en forma de V.[20]​[21]​ Los brazos de hélices superenrolladas tienen una longitud de, aproximadamente, 50 nm. Tales hélices superenrolladas antiparalelas son muy raras y solo se encuentran en proteínas SMC (y proteínas relacionadas como Rad50). El dominio de unión a ATP está estructuralmente emparentado con el de los transportadores ABC, una extensa familia de proteínas transmembranas que transportan activamente moléculas pequeñas a través de membranas celulares. Se cree que el ciclo de unión e hidrólisis de ATP modula el ciclo de apertura y cerradura de la molécula en forma de V. Los mecanismos concretos de acción de las proteínas SMC aún están por determinar.

Agregación de proteínas SMC

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Las proteínas SMC tienen el potencial de formar una estructura mayor en anillo. La habilidad para crear diferentes organizaciones estructurales permite diferentes regulaciones de sus funciones. Algunas de las configuraciones posibles son dobles anillos, filamentos y rosetones. Los dobles anillos son 4 proteínas SMC unidas en ambos extremos, formando un anillo. Los filamentos son una cadena de proteínas SMC alternadas. Los rosetones son estructuras similares a una rosa con los segmentos terminales en la región interna y las regiones bisagra en la externa.[22]​

Referencias

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  1. ↑ a b Anderson, David E.; Losada, Ana; Erickson, Harold P.; Hirano, Tatsuya (4 de febrero de 2002). «Condensin and cohesin display different arm conformations with characteristic hinge angles». The Journal of Cell Biology 156 (3): 419-424. ISSN 0021-9525. PMC 2173330. PMID 11815634. doi:10.1083/jcb.200111002. Consultado el 24 de mayo de 2023. 
  2. ↑ Losada, Ana; Hirano, Tatsuya (1 de junio de 2005). «Dynamic molecular linkers of the genome: the first decade of SMC proteins». Genes & Development 19 (11): 1269-1287. ISSN 0890-9369. PMID 15937217. doi:10.1101/gad.1320505. Consultado el 15 de mayo de 2023. 
  3. ↑ Nasmyth, Kim; Haering, Christian H. (2005). «The structure and function of SMC and kleisin complexes». Annual Review of Biochemistry 74: 595-648. ISSN 0066-4154. PMID 15952899. doi:10.1146/annurev.biochem.74.082803.133219. Consultado el 15 de mayo de 2023. 
  4. ↑ Huang, Catherine E.; Milutinovich, Mark; Koshland, Douglas (29 de marzo de 2005). «Rings, bracelet or snaps: fashionable alternatives for Smc complexes». Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences 360 (1455): 537-542. ISSN 0962-8436. PMC 1569475. PMID 15897179. doi:10.1098/rstb.2004.1609. Consultado el 15 de mayo de 2023. 
  5. ↑ Michaelis, C.; Ciosk, R.; Nasmyth, K. (3 de octubre de 1997). «Cohesins: chromosomal proteins that prevent premature separation of sister chromatids». Cell 91 (1): 35-45. ISSN 0092-8674. PMID 9335333. doi:10.1016/s0092-8674(01)80007-6. Consultado el 15 de mayo de 2023. 
  6. ↑ Guacci, V.; Koshland, D.; Strunnikov, A. (3 de octubre de 1997). «A direct link between sister chromatid cohesion and chromosome condensation revealed through the analysis of MCD1 in S. cerevisiae». Cell 91 (1): 47-57. ISSN 0092-8674. PMC 2670185. PMID 9335334. doi:10.1016/s0092-8674(01)80008-8. Consultado el 15 de mayo de 2023. 
  7. ↑ Losada, A.; Hirano, M.; Hirano, T. (1 de julio de 1998). «Identification of Xenopus SMC protein complexes required for sister chromatid cohesion». Genes & Development 12 (13): 1986-1997. ISSN 0890-9369. PMID 9649503. doi:10.1101/gad.12.13.1986. Consultado el 15 de mayo de 2023. 
  8. ↑ a b Wu, Nan; Yu, Hongtao (27 de febrero de 2012). «The Smc complexes in DNA damage response». Cell & Bioscience 2: 5. ISSN 2045-3701. PMC 3329402. PMID 22369641. doi:10.1186/2045-3701-2-5. Consultado el 30 de mayo de 2023. 
  9. ↑ Hirano, T.; Kobayashi, R.; Hirano, M. (16 de mayo de 1997). «Condensins, chromosome condensation protein complexes containing XCAP-C, XCAP-E and a Xenopus homolog of the Drosophila Barren protein». Cell 89 (4): 511-521. ISSN 0092-8674. PMID 9160743. doi:10.1016/s0092-8674(00)80233-0. Consultado el 15 de mayo de 2023. 
  10. ↑ Ono, Takao; Losada, Ana; Hirano, Michiko; Myers, Michael P.; Neuwald, Andrew F.; Hirano, Tatsuya (3 de octubre de 2003). «Differential contributions of condensin I and condensin II to mitotic chromosome architecture in vertebrate cells». Cell 115 (1): 109-121. ISSN 0092-8674. PMID 14532007. doi:10.1016/s0092-8674(03)00724-4. Consultado el 15 de mayo de 2023. 
  11. ↑ Fousteri, M. I.; Lehmann, A. R. (3 de abril de 2000). «A novel SMC protein complex in Schizosaccharomyces pombe contains the Rad18 DNA repair protein». The EMBO journal 19 (7): 1691-1702. ISSN 0261-4189. PMID 10747036. doi:10.1093/emboj/19.7.1691. Consultado el 15 de mayo de 2023. 
  12. ↑ Schleiffer, Alexander; Kaitna, Susanne; Maurer-Stroh, Sebastian; Glotzer, Michael; Nasmyth, Kim; Eisenhaber, Frank (Marzo de 2003). «Kleisins: A Superfamily of Bacterial and Eukaryotic SMC Protein Partners». Molecular Cell 11 (3): 571-575. ISSN 1097-2765. doi:10.1016/s1097-2765(03)00108-4. Consultado el 18 de mayo de 2023. 
  13. ↑ Harvey, Susan H.; Krien, Michael J. E.; O'Connell, Matthew J. (2002). «Structural maintenance of chromosomes (SMC) proteins, a family of conserved ATPases». Genome Biology 3 (2): REVIEWS3003. ISSN 1474-760X. PMID 11864377. doi:10.1186/gb-2002-3-2-reviews3003. Consultado el 18 de mayo de 2023. 
  14. ↑ Palecek, Jan J.; Gruber, Stephan (1 de diciembre de 2015). «Kite Proteins: a Superfamily of SMC/Kleisin Partners Conserved Across Bacteria, Archaea, and Eukaryotes». Structure (London, England: 1993) 23 (12): 2183-2190. ISSN 1878-4186. PMID 26585514. doi:10.1016/j.str.2015.10.004. Consultado el 18 de mayo de 2023. 
  15. ↑ Britton, R. A.; Lin, D. C.; Grossman, A. D. (1 de mayo de 1998). «Characterization of a prokaryotic SMC protein involved in chromosome partitioning». Genes & Development 12 (9): 1254-1259. ISSN 0890-9369. PMID 9573042. doi:10.1101/gad.12.9.1254. Consultado el 15 de mayo de 2023. 
  16. ↑ Hirano, Tatsuya (15 de febrero de 2002). «The ABCs of SMC proteins: two-armed ATPases for chromosome condensation, cohesion, and repair». Genes & Development 16 (4): 399-414. ISSN 0890-9369. PMID 11850403. doi:10.1101/gad.955102. Consultado el 18 de mayo de 2023. 
  17. ↑ Niki, H.; Jaffé, A.; Imamura, R.; Ogura, T.; Hiraga, S. (Enero de 1991). «The new gene mukB codes for a 177 kd protein with coiled-coil domains involved in chromosome partitioning of E. coli». The EMBO journal 10 (1): 183-193. ISSN 0261-4189. PMID 1989883. doi:10.1002/j.1460-2075.1991.tb07935.x. Consultado el 15 de mayo de 2023. 
  18. ↑ Melby, T. E.; Ciampaglio, C. N.; Briscoe, G.; Erickson, H. P. (21 de septiembre de 1998). «The symmetrical structure of structural maintenance of chromosomes (SMC) and MukB proteins: long, antiparallel coiled coils, folded at a flexible hinge». The Journal of Cell Biology 142 (6): 1595-1604. ISSN 0021-9525. PMC 2141774. PMID 9744887. doi:10.1083/jcb.142.6.1595. Consultado el 9 de julio de 2023. 
  19. ↑ Anderson, David E.; Losada, Ana; Erickson, Harold P.; Hirano, Tatsuya (4 de febrero de 2002). «Condensin and cohesin display different arm conformations with characteristic hinge angles». The Journal of Cell Biology 156 (3): 419-424. ISSN 0021-9525. PMC 2173330. PMID 11815634. doi:10.1083/jcb.200111002. Consultado el 9 de julio de 2023. 
  20. ↑ Haering, Christian H.; Löwe, Jan; Hochwagen, Andreas; Nasmyth, Kim (2002-04). «Molecular architecture of SMC proteins and the yeast cohesin complex». Molecular Cell 9 (4): 773-788. ISSN 1097-2765. PMID 11983169. doi:10.1016/s1097-2765(02)00515-4. Consultado el 9 de julio de 2023. 
  21. ↑ Hirano, Michiko; Hirano, Tatsuya (1 de noviembre de 2002). «Hinge-mediated dimerization of SMC protein is essential for its dynamic interaction with DNA». The EMBO journal 21 (21): 5733-5744. ISSN 0261-4189. PMID 12411491. doi:10.1093/emboj/cdf575. Consultado el 9 de julio de 2023. 
  22. ↑ Cox, M. M.; Doudna, J. A.; O'Donnell, M. (2015). Molecular biology : principles and practice (en inglés). Nueva York: W.H. Freeman & Company. ISBN 9781464126147. OCLC 905380069. 
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