姉妹染色分体接着の確立

姉妹染色分体接着とは、細胞周期の特定の段階で姉妹染色分体が対になって一緒に保持されるプロセスを指します。姉妹染色分体接着の確立は、クロマチン関連コヒーシンタンパク質が姉妹染色分体を物理的に結合できるようになるプロセスです。一般的に、接着はDNAが複製されるS期に確立され、有糸分裂および減数分裂中に染色体が分離すると失われます。一部の研究では、接着は有糸分裂中にキネトコアを反対の細胞極に向けることでキネトコアを整列させるのに役立つことが示唆されています。 ^[1]

コヒーシンは、G1期に初めて染色体と結合します。コヒーシンリングは、2つのSMC（染色体構造維持）タンパク質と2つの追加のSccタンパク質で構成されています。コヒーシンは、もともとSMCタンパク質のATPaseドメインを介して染色体と相互作用している可能性があります。酵母では、染色体へのコヒーシンの負荷は、タンパク質Scc2とScc4に依存します。^[2]

コヒーシンは特定の遺伝子座でクロマチンと相互作用する。セントロメアではコヒーシンの結合レベルが高いことが観察される。コヒーシンは染色体の長さに沿ったコヒーシン付着領域 (CAR) にも付着する。CAR は染色体に沿って約 9 キロベース間隔で配置された約 500～800塩基対の領域である。酵母では、CAR はアデニン-チミン塩基対に富む傾向がある。CAR は複製起点とは無関係である。^{[1] [3]}

凝集の確立とは、クロマチンに結合したコヒーシンが凝集能力を持つようになる過程を指します。コヒーシンのクロマチンへの結合だけでは凝集には不十分です。コヒーシンはその後の修正（「確立」）を経て初めて、姉妹染色体を物理的にまとめることができるようになります。^[4]コヒーシンは細胞周期の早い段階でクロマチンと結合できますが、凝集は S 期に確立されます。S 期が凝集に重要であることを示唆する初期のデータは、S 期の後、姉妹染色分体は常に結合状態にあるという事実に基づいています。確立をDNA 複製に結び付けると、細胞は姉妹染色分体が形成されるとすぐに凝集を開始できます。これにより、複製が起こった後に姉妹染色分体が分離しないようにすることで、細胞が姉妹染色分体を適切に識別してペアリングする方法という問題が解決されます。^[1]

Eco1/Ctf7 遺伝子 (酵母) は、凝集の確立に特に必要であると特定された最初の遺伝子の 1 つでした。凝集を確立するには Eco1 が S 期に存在する必要がありますが、凝集を維持するために Eco1 が継続的に存在する必要がありません。^{[1] Eco1 は、プロセッシビティ クランプ}PCNA、クランプ ローダー サブユニット、DNA ヘリカーゼなど、DNA 複製に直接関与する多くのタンパク質と相互作用します。Eco1 にはいくつかの機能ドメインが含まれていますが、凝集の確立に重要なのは、このタンパク質のアセチルトランスフェラーゼ活性です。S 期中、Eco1 はコヒーシンの Smc3 サブユニットのリジン残基をアセチル化します。Smc3 は、少なくとも後期までアセチル化されたままです。^[4]コヒーシンがクロマチンから除去されると、Smc3 は Hos1 によって脱アセチル化されます。^[5]

Pds5 遺伝子は、酵母において凝集の確立に必要であることも確認されている。ヒトでは、この遺伝子にはPds5AとPds5B という2 つの相同遺伝子がある。Pds5 はクロマチン関連コヒーシンと相互作用する。Pds5 は厳密には確立に特異的ではなく、G2 期とM 期の凝集の維持に必要である。Pds5 が失われると、Eco1 の必要性がなくなる。そのため、Pds5 はしばしば「反確立」因子と呼ばれる。^[4]

Pds5はコヒーシンと相互作用するだけでなく、姉妹染色分体凝集の制御に関与する別のタンパク質であるWapl（wings apart-like）とも相互作用します。ヒトWaplはSccコヒーシンサブユニット（ヒトではScc1とSA1）を介してコヒーシンに結合します。WaplはM期中の染色分体からのコヒーシンの消失に関連しています。 ^{[6] Waplは}フェニルアラニン-グリシン-フェニルアラニン（FGF）配列モチーフ を介してPds5と相互作用します。^[7]

凝集の確立の 1 つのモデルでは、Wapl-Pds5-コヒーシン複合体の Wapl がSororinタンパク質に置き換えられることで凝集が確立されると示唆されています。Wapl と同様に、Sororin は FGF ドメインを含み、Pds5 と相互作用することができます。Nishiyamaらによって提唱されたこのモデルでは、Wapl は確立前の G1 中に Pds5 およびコヒーシンと相互作用します。S 期には、Eco1 (ヒトでは Esco1/ Esco2 ) が Smc3 をアセチル化します。これにより、Sororin がリクルートされます。次に、Sororin は Pds5-コヒーシン複合体の Wapl を置き換えます。この新しい複合体は、確立された凝集能力のあるコヒーシン状態です。有糸分裂に入ると、Sororin はリン酸化され、再び Wapl に置き換えられ、凝集が失われます。^[8] Sororin は、凝集を仲介する能力とは独立して、クロマチン結合活性も持っています。^[9]

凝集タンパク質SMC1β、SMC3、REC8、STAG3は、ヒト卵母細胞における減数分裂過程を通じて姉妹染色分体の凝集に関与していると思われる。^{[10] SMC1β、REC8、STAG3は減数分裂特異的}凝集タンパク質 である。STAG3タンパク質は、女性の減数分裂と生殖能力に必須である。^{[11]凝集タンパク質は}減数分裂組換え に関与している。^[12]

凝集の確立とDNA複製との関連を示す証拠が増えています。前述のように、これら2つのプロセスの機能的な結合により、複製後に姉妹染色分体が分離することがなくなり、細胞が後でどの染色体が姉妹であるかを区別する必要がなくなります。^[1]

DNA 複製と凝集経路のもう 1 つの重要なつながりは、複製因子 C (RFC)です。この複合体は「クランプ ローダー」と呼ばれ、PCNA を DNA にロードする役割を担っています。姉妹クロマチンの凝集には、RFC の代替形態が必要です。この代替形態は、コア RFC タンパク質RFC2、RFC3、RFC4、およびRFC5で構成されていますが、RFC1タンパク質を凝集特異的タンパク質Ctf8、Ctf18、およびDcc1に置き換えています。同様の機能特異的代替 RFC (RFC1 を Rad24 に置き換えたもの) は、DNA 損傷チェックポイントで役割を果たしています。凝集経路に代替 RFC が存在することは、凝集確立のためのポリメラーゼ スイッチ モデルを支持する証拠として解釈できます。^[13]非凝集 RFC と同様に、凝集 RFC は PCNA を DNA にロードします。^[14]

凝集とDNA複製を結びつける証拠の一部は、Eco1の複数の相互作用から得られます。Eco1は、PCNA、RFCサブユニット、DNAヘリカーゼChl1と物理的または遺伝的に相互作用します。^{[4] [15]}研究では、Eco1とは独立して凝集に影響を与える複製関連タンパク質も発見されています。^[16]凝集特異的RFCのCtf18サブユニットは、コヒーシンサブユニットSmc1およびScc1と相互作用することができます。^[14]

このタンパク質はもともとトポイソメラーゼ I の冗長因子として同定されたが、TRF4 遺伝子産物は後に姉妹染色分体の凝集に必要であることが示された。Wang らは、Trf4 が実際にはDNA ポリメラーゼであることを示し、ポリメラーゼ κ と名付けた。^[17]このポリメラーゼはポリメラーゼ σ とも呼ばれる。Pol σ を同定した同じ論文で、Wangらは凝集の確立のためのポリメラーゼ スイッチ モデルを提案した。^[17]このモデルでは、CAR に到達すると、細胞は岡崎フラグメント合成で使用されるメカニズムに似たメカニズムで DNA ポリメラーゼを切り替えます。細胞はプロセッシブ複製ポリメラーゼをオフロードし、代わりに Pol σ を使用して CAR 領域を合成します。凝集特異的 RFC は、このようなスイッチで PNCA とポリメラーゼのオフロードまたはオンロードとして機能する可能性があることが示唆されています。^[1]

DNA損傷の場合、姉妹染色分体の凝集パターンの変化が観察されています。コヒーシンはDNA二本鎖切断（DSB）の修復に必要です。DSB修復のメカニズムの1つである相同組み換え（HR）では、切断部位の修復に姉妹染色分体が必要です。したがって、このプロセスには凝集が必要である可能性があります。なぜなら、凝集により、姉妹染色分体が物理的に十分近くなり、HRを受けることができるからです。DNA損傷により、G2期であっても、非CAR部位にコヒーシンがロードされ、これらの部位で凝集が確立される可能性があります。電離放射線（IR）の存在下では、コヒーシンのSmc1サブユニットが毛細血管拡張性運動失調症変異（ATM）キナーゼによってリン酸化されます。^[18] ATMはDNA損傷チェックポイントの重要なキナーゼです。凝集力の欠陥はゲノム不安定性を増加させる可能性があり、^[19]これは凝集力とDNA損傷経路の関係と一致する結果である。

大腸菌では、マイトマイシンC誘発DNA損傷の修復は、RecNタンパク質が関与する姉妹染色分体凝集プロセスによって起こる。^[20] 姉妹染色分体相互作用とそれに続く相同組換えは、DNA二本鎖損傷の修復に大きく寄与していると思われる。

姉妹染色分体凝集の確立における欠陥は細胞に深刻な影響を及ぼし、多くのヒト疾患と関連している。凝集を正しく確立できなかったり、凝集が不適切に失われたりすると、有糸分裂中に染色体が誤って分離し、異数性が生じる可能性がある。コアコヒーシンタンパク質のヒトホモログ、または Eco1、Pds5、Wapl、Sororin、または Scc2 の喪失は、がんと関連している。凝集と凝集の確立に影響を与える変異は、コルネリア・デ・ランゲ症候群とロバーツ症候群の原因でもある。姉妹染色分体凝集に関与するコヒーシンまたはその他のタンパク質の欠陥から生じる疾患は、コヒーシノパシーと呼ばれる。^[19]

NIPBL、SMC1A、SMC3、RAD21、HDAC8遺伝子の遺伝子変異は、コルネリア・デ・ランゲ症候群に関連しています。^{[21]これらの遺伝子によってコードされるタンパク質はすべて、}有糸分裂中の姉妹染色分体の凝集、DNA修復、染色体分離、発達遺伝子発現の調節 に用いられる染色体凝集経路で機能します。これらの機能の欠陥は、コルネリア・デ・ランゲ症候群の多くの特徴の根底にあると考えられます。