genetiskt material lagras inuti celler i strukturer som kallas kromosomer, som har en repetitiv sekvens som kallas en telomer i varje ände. Specialiserade proteiner binder till dessa sekvenser för att bilda ett skyddande ’lock’ som skyddar kromosomen och förhindrar att den smälter samman med andra kromosomer. Enzymet telomeras hjälper också till att upprätthålla kromosomer genom att lägga till repetitiva sekvenser av DNA till ändarna av telomerer.
en av de mest studerade kapningsmolekylerna är ett protein som kallas Cdc13 som binder till vissa typer av enkelsträngat DNA i spirande jäst och bildar ett komplex med två andra proteiner (Stn1 och Ten1) som rekryterar telomeras (Wellinger och Zakian, 2012). Flera bevis tyder på att detta CST-komplex också rekryterar ett DNA-replikeringsenzym som kallas primase-Pola och kan reglera aktiviteten hos detta enzym i ändarna av kromosomer såväl som andra platser i genomet (Giraud-Panis et al., 2010; pris et al., 2010; Barbero Barcenilla och Shippen, 2019).
liknande komplex har också identifierats i andra eukaryoter, inklusive däggdjur, som innehåller Stn1, Ten1 och ett annat protein som kallas CTC1 inom deras CST-komplex (Giraud-Panis et al., 2010; pris et al., 2010). Det har dock visat sig utmanande att träna de roller som utförs av de olika proteinerna i CST-komplexet eftersom celler som saknar bara ett av dessa proteiner kämpar för att överleva (Figur 1a). Nu, i eLife, rapporterar Jin-Qiu Zhou och medarbetare vid Chinese Academy of Sciences och ShanghaiTech University-inklusive Zhi – Jing Wu som första författare-resultaten av experiment som hjälper till att förbättra vår förståelse för CST – komplexet (Wu et al., 2020).
Cdc13 och telomeras är väsentliga för att upprätthålla linjära kromosomer.
(a) jästceller med flera linjära kromosomer kräver capping protein Cdc13 för att skydda sina telomerer och förhindra kromosomer från fusing. Utan detta protein kan dessa celler inte överleva. (B) celler som har en enda linjär kromosom kan överleva utan Cdc13 genom att smälta ändarna av deras kromosom tillsammans för att bilda en cirkulär ring. C) i frånvaro av enzymet telomeras kan celler med flera linjära kromosomer överleva genom att använda DNA-rekombinationsvägar som kan förstärka telomersekvensen eller DNA-segmenten som sitter mellan kromatin-och telomersekvensen. (D) celler med en enda linjär kromosom överlever förlusten av telomeras genom att smälta samman för att bilda en cirkulär kromosom med hjälp av homolog rekombination, liknande vad som händer i celler som saknar proteinet Cdc13.
bildkredit: Constance Nugent och Katsunori Sugimoto.
först, Wu et al. undersökte hur borttagning av CST-komplexet påverkade livskraften hos en stam av spirande jäst där alla Dess 16 kromosomer smältes samman för att bilda en enda cirkulär kromosom (Shao et al., 2019). De fann att avlägsnande av CST inte hindrade cellerna från att proliferera eller leda till fler celldöd, även när den cirkulära kromosomen innehöll de repetitiva telomersekvenserna. Det verkar därför att CST-komplexets huvudroll är att upprätthålla linjära kromosomer och förhindra att kromosomer smälter samman med andra kromosomer, och att det inte är nödvändigt för replikering av interna telomersekvenser.
förutom att bilda en cirkulär ring kan de 16 kromosomerna av spirande jäst också smälta samman för att bilda en enda linjär kromosom (Shao et al., 2018). Wu et al. fann att avlägsnande av CST-komplexet kraftigt minskade livskraften hos dessa celler, men några av dessa celler kunde överleva genom att smälta ändarna på deras linjära kromosom för att bilda en cirkulär ring (Figur 1b). Individuellt radering av generna som kodar för de olika proteinerna i CST-komplexet avslöjade att celler som saknade Cdc13 visade en högre fusionshastighet än celler som saknade generna för Stn1 och Ten1. Detta tyder på att Cdc13 spelar en dominerande roll för att hämma fusion av kromosomer, och att Stn1 och Ten1 bidrar till skyddet av telomerer oberoende av Cdc13. Detaljerna i denna mekanism är dock fortfarande oklara och kräver ytterligare undersökning.
i vildtypsceller som innehåller flera kromosomer är det sällsynt att hitta smälta eller cirkulära kromosomer, även när telomeras aktivitet har äventyrats: detta beror på att celler kan förlänga och bibehålla telomerer genom att använda en mekanism som kallas homologiriktad rekombination som reparerar dubbelsträngade raster i DNA (figur 1C). I alla fall, Wu et al. fann att minskning av antalet kromosomer ledde till att fler fusioner detekterades i celler som saknade enzymet telomeras. Detta tyder på att minskning av antalet kromosomer ökar sannolikheten för att celler kommer att kunna producera cirkulariserade kromosomer och överleva förlusten av telomeras.
man trodde att smältning av de två ändarna av den singulära linjära kromosomen skulle förlita sig på en DNA-reparationsväg som kallas nonhomologous end-joining (NHEJ) – vägen (Haber, 2016). I alla fall, Wu et al. visat att i frånvaro av telomeras berodde kromosomfusion på Rad52, som spelar en kritisk roll i den homologa rekombinationen av DNA-raster i spirande jäst (figur 1D). Det är möjligt att cellerna som används i denna studie är beroende av Rad52-vägen för kromosomcirkularisering eftersom den enda kromosomen har en inverterad telomersekvens nära ena änden av kromosomen. Om en sådan sekvens raderades kan celler genomgå end-to-end-fusion genom NHEJ-vägen som är vanligare i mänskliga celler (Palm och de Lange, 2008). Ytterligare experiment visade att detta resultat inte berodde på en förlust i nhej-aktivitet och att denna väg kan smälta linjäriserade plasmider i spirande jästceller.
Wu et al. ger nya insikter i hur kromosomer smälter samman och hur telomerer upprätthålls oberoende av telomerasenzymet. Dessutom kan resultaten från denna studie gå utöver jäst och förbättra vår förståelse för olika mänskliga medicinska syndrom orsakade av ändarna av kromosomer som smälter för att bilda ringformer (Pristyazhnyuk och Menzorov, 2018).