genetický materiál je uložen uvnitř buněk ve strukturách zvaných chromozomy, které mají na každém konci opakující se sekvenci známou jako telomera. Specializované proteiny se vážou na tyto sekvence a vytvářejí ochrannou „čepici“, která chrání chromozom a zabraňuje jeho fúzi s jinými chromozomy. Enzym telomeráza také pomáhá udržovat chromozomy přidáním opakujících se sekvencí DNA na konce telomer.
jednou z nejrozšířenějších limitujících molekul je protein zvaný Cdc13, který se váže na určité typy jednovláknové DNA v začínajících kvasinkách a tvoří komplex se dvěma dalšími proteiny (Stn1 a Ten1), které rekrutují telomerázu (Wellinger a Zakian, 2012). Několik linií důkazů naznačuje, že tento komplex CST také rekrutuje enzym replikace DNA zvaný primáza-Pola a může regulovat aktivitu tohoto enzymu na koncích chromozomů i na dalších místech v genomu (Giraud-Panis et al., 2010; cena a kol., 2010; Barbero Barcenilla a Shippen, 2019).
podobné komplexy byly také identifikovány u jiných eukaryot, včetně savců, které obsahují Stn1, Ten1 a další protein zvaný CTC1 v jejich komplexu CST (Giraud-Panis et al ., 2010; cena a kol., 2010). Ukázalo se však, že je náročné zjistit role různých proteinů v komplexu CST, protože buňky, které postrádají pouze jeden z těchto proteinů, se snaží přežít (obrázek 1A). Nyní v eLife Jin-Qiu Zhou a spolupracovníci Čínské akademie věd a ShanghaiTech University-včetně Zhi-Jing Wu jako prvního autora-hlásí výsledky experimentů, které pomáhají zlepšit naše porozumění komplexu CST (Wu et al ., 2020).
Cdc13 a telomeráza jsou nezbytné pro udržení lineárních chromozomů.
(a) kvasinkové buňky s více lineárními chromozomy vyžadují uzavírací protein Cdc13 k ochraně jejich telomer a zabránění fúzi chromozomů. Bez tohoto proteinu tyto buňky nemohou přežít. (B) buňky, které mají jediný lineární chromozom, mohou přežít bez Cdc13 spojením konců svého chromozomu dohromady a vytvořit kruhový kruh. C) v nepřítomnosti enzymu telomerázy jsou buňky s více lineárními chromozomy schopny přežít použitím dna rekombinačních drah, které mohou amplifikovat telomerovou sekvenci nebo segmenty DNA, které sedí mezi chromatinovou a telomerovou sekvencí. (D) buňky s jediným lineárním chromozomem přežívají ztrátu telomerázy spojením za vzniku kruhového chromozomu pomocí homologní rekombinace, podobné tomu, co se děje v buňkách bez proteinu Cdc13.
Image credit: Constance Nugent a Katsunori Sugimoto.
Za prvé, Wu a kol. zkoumali, jak odstranění komplexu CST ovlivnilo životaschopnost kmene pučících kvasinek, ve kterých byly všechny jeho 16 chromozomů spojeny dohromady a vytvořily jediný Kruhový chromozom (Shao et al ., 2019). Zjistili, že odstranění CST nezabránilo buňkám v proliferaci ani nevedlo k více buněčným úmrtím, i když Kruhový chromozom obsahoval opakující se telomerní sekvence. Zdá se tedy, že hlavní úlohou komplexu CST je udržovat lineární chromozomy a zabránit fúzi chromozomů s jinými chromozomy a že to není nezbytné pro replikaci vnitřních telomerních sekvencí.
kromě vytvoření kruhového prstence lze 16 chromozomů pučících kvasinek také spojit dohromady a vytvořit jediný lineární chromozom (Shao et al ., 2018). Wu a kol. bylo zjištěno, že odstranění komplexu CST výrazně snížilo životaschopnost těchto buněk, ale některé z těchto buněk byly schopny přežít fúzí konců jejich lineárního chromozomu za vzniku kruhového prstence (obrázek 1B). Individuální odstranění genů, které kódují různé proteiny komplexu CST, odhalilo, že buňky postrádající Cdc13 vykazovaly vyšší rychlost fúze než buňky postrádající geny pro Stn1 a Ten1. To naznačuje, že Cdc13 hraje dominantní roli při inhibici fúze chromozomů a že Stn1 a Ten1 přispívají k ochraně telomer nezávisle na Cdc13. Podrobnosti tohoto mechanismu však stále zůstávají nejasné a vyžadují další vyšetřování.
v buňkách divokého typu, které obsahují více chromozomů, je vzácné najít fúzované nebo kruhové chromozomy, i když byla ohrožena aktivita telomerázy: je to proto, že buňky mohou rozšířit a udržovat telomery pomocí mechanismu zvaného homologicky zaměřená rekombinace, která opravuje dvouvláknové zlomy v DNA (obrázek 1C). Nicméně, Wu et al. bylo zjištěno, že snížení počtu chromozomů vedlo k detekci více fúzí v buňkách, které postrádají enzym telomerázu. To naznačuje, že snížení počtu chromozomů zvyšuje pravděpodobnost, že buňky budou schopny produkovat cirkulované chromozomy a přežít ztrátu telomerázy.
předpokládalo se, že spojení dvou konců singulárního lineárního chromozomu by se spoléhalo na cestu opravy DNA zvanou nehomologní cesta ke spojování (NHEJ) (Haber, 2016). Nicméně, Wu et al. prokázal, že v nepřítomnosti telomerázy, chromozomová fúze závisela na Rad52, který hraje rozhodující roli v homologní rekombinaci zlomů DNA v pučících kvasinkách (obrázek 1D). Je možné, že buňky použité v této studii se spoléhají na cestu Rad52 pro chromozomální cirkularizaci, protože jediný chromozom má obrácenou telomerovou sekvenci poblíž jednoho konce chromozomu. Pokud by taková sekvence byla odstraněna, buňky by mohly podstoupit end-to-end fúzi cestou NHEJ, která je častější v lidských buňkách (Palm and de Lange, 2008). Další experimenty ukázaly, že toto zjištění nebylo způsobeno ztrátou aktivity NHEJ a že tato cesta je schopna fúzovat linearizované plazmidy v pučících kvasinkových buňkách.
dílo Wu et al. poskytuje nový pohled na to, jak se chromozomy spojují a jak jsou telomery udržovány nezávisle na enzymu telomerázy. Zjištění z této studie by navíc mohla jít nad rámec kvasinek a zlepšit naše chápání různých lidských lékařských syndromů způsobených spojením konců chromozomů za vzniku prstencových tvarů (Pristyazhnyuk a Menzorov, 2018).