MCM 복합체는 코헤신을 제한하는 장벽입니다. - 충칭 민트 리프 그룹 유한 공사

Nature 606권, 197~203페이지(2022)이 기사 인용

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진핵생물 게놈은 전사, 재조합 및 게놈 안정성에 기여하는 루프 및 위상학적 연관 도메인(TAD)으로 압축됩니다4,5. Cohesin은 CTCF 경계가 나타날 때까지 길어지는 것으로 생각되는 루프로 DNA를 압출합니다. 루프 압출이 DNA 결합 기계에 의해 방해되는지 여부에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 여기서 우리는 미니 염색체 유지 관리(MCM) 복합체가 G1 단계에서 루프 돌출을 제한하는 장벽임을 보여줍니다. 마우스 접합체의 단일 핵 Hi-C(고해상도 염색체 구조 캡처)는 MCM 로딩이 CTCF 고정 루프를 감소시키고 TAD 경계 절연을 감소시키는 것으로 나타났습니다. 이는 CTCF에 도달하기 전에 루프 압출이 방해된다는 것을 의미합니다. 이 효과는 MCM이 CTCF 고정 루프의 수와 유전자 발현에 영향을 미치는 HCT116 세포까지 확장됩니다. 시뮬레이션에 따르면 MCM은 풍부하고 무작위로 위치하며 부분적으로 투과성인 장벽입니다. 단일 분자 이미징은 MCM이 체외에서 코헤신 전위를 자주 제한하는 물리적 장벽임을 보여줍니다. 특히, 인간 MCM3의 코헤신 상호작용 모티프를 포함하는 키메라 효모 MCM은 코헤신 일시 정지를 유도하는데, 이는 MCM이 결합 부위가 있는 '활성' 장벽임을 나타냅니다. 이러한 발견은 자매 염색체 응집이 확립되는 게놈 부위를 결정하는 MCM에서 루프 압출에 의해 코헤신이 도착할 수 있는 가능성을 높입니다. 생체 내, 실리코 및 시험관 내 데이터를 기반으로 우리는 뚜렷한 루프 압출 장벽이 3차원 게놈을 형성한다는 결론을 내렸습니다.

진핵생물 게놈은 코헤신 및 콘덴신 복합체를 포함한 염색체(SMC) 단백질의 구조적 유지에 의해 생성되는 루프로 접혀 있습니다(이전 검토13). 루프 압출을 통해 나타나는 구조는 Hi-C 실험에 의해 감지됩니다. 압출 공정은 코헤신이 장벽에 부딪치거나 Wapl에 의해 방출될 때까지 점진적으로 더 큰 루프를 형성하는 것으로 가정됩니다(참조 9,10,11). 척추동물에서 루프 압출에 대한 주요 장벽은 CTCF(참조 12)이며, 이는 Hi-C14에서 볼 수 있는 압출 매개 구조를 확립하는 데 유익한 역할을 합니다. 그러나 루프 압출 기계는 뉴클레오솜 및 기타 단백질 복합체와 같은 염색질의 다른 장애물에 직면합니다. RNA 중합효소는 박테리아의 콘덴신 전좌를 위한 이동 장벽이고 진핵생물의 코헤신 전좌에 영향을 미치지만 SMC가 수많은 단백질에 의해 결합된 '바쁜' 진핵 염색체의 루프를 어떻게 돌출시킬 수 있는지는 아직 알려지지 않았습니다. 다른 DNA 결합 단백질이 진핵생물의 3차원 게놈 구조에 영향을 미칠 수 있는지 여부는 알려져 있지 않으며 해당 단백질의 기능을 이해하는 데 중요할 수 있습니다.

미니 염색체 유지 관리(MCM) 복합체는 진핵생물과 고세균18에서 DNA 복제에 필수적인 풍부한 거대분자 기계입니다. MCM2-MCM7 복합체(이하 MCM)는 유사분열 및 G1 단계 동안 사전 복제 복합체를 형성하기 위해 ORC(원점 인식 복합체), Cdc6 및 Cdt1에 의해 복제 원점에 로드됩니다. 머리 대 머리 이중 MCM 육량체는 위상학적으로 이중 가닥 DNA를 포획하고 DNA 복제가 시작될 때까지 헬리카제로서 촉매적으로 비활성 상태입니다. 특히 S기 진행에 필요한 것보다 10~100배 더 많은 MCM이 염색질에 로드됩니다. 이를 'MCM 역설'이라고 합니다. 이 현상을 설명하는 한 가지 가설은 잉여 복합체가 DNA 손상 체크포인트 활성화와 같은 조건에서 발생하는 휴면 기원을 표시한다는 것입니다. 잉여 MCM은 복제 분기 속도를 줄여 DNA 파손을 방지하는 것으로 나타났습니다. G1 단계에서 기능적 결과가 있는지 여부는 불분명합니다. MCM의 풍부함, 염색질에서의 긴 체류 시간(6시간 이상) 및 체외에서 DNA에 코헤신을 밀어 넣을 수 있는 FtsK 헬리카제(12.5 nm)에 필적하는 크기(13 nm)(확장 데이터 그림 1)를 고려하면, 우리는 MCM이 코헤신 매개 루프 압출에 장애물이 되고 이러한 방식으로 게놈 구조에 영향을 미치는지 물었습니다.

thresh1 to MCM) were further evaluated for MCM passing as described above, and in addition counted as an encounter with successful bypassing. DNA molecules with cohesin only were analysed the same way using the theoretical ARS1 position on DNA. All frames within the cohesin trajectory that were part of a translocation pause were excluded from this analysis and instead classified as one encounter with failed bypassing. To account for different resolution at different extensions, two dynamic thresholds, thresh1 and thresh2, were set to 1.5 kb and 0.5 kb at the mean DNA extension of all DNA molecules and adjusted for the individual length of the DNA molecule (Extended Data Fig. 9g)./p>2 is the mean square displacement in kb2 and t is the time in s./p>

250kb) in WT and MCM loss conditions for maternal and paternal pronuclei. Data are based on the same samples as in (a) and Fig. 1d. c, Aggregate peak analysis for WT and MCM loss conditions from a subset of 4, 8 and 12 samples, shown for maternal and paternal pronuclei. d, Contact probability Pc(s) curve as a function of genomic distance (s). Cohesin is directly involved in shaping the Pc(s) in the range up to 1 Mb. The contact frequency in this region is decreased after cohesin depletion (Scc1Δ) and is increased after enrichment of chromatin-bound cohesin (WaplΔ). e, Contact probability Pc(s) curves from individual maternal and paternal pronuclei with average Pc(s) (same as in Fig. 1e) in bold overlaid. f, Slopes of the Pc(s) curves (depicted in Fig. 1e) as an indication for the average size of cohesin-extruded loops in WT and MCM loss conditions./p>