genetisch materiaal wordt opgeslagen in cellen in structuren die chromosomen worden genoemd, die aan beide uiteinden een repetitieve sequentie hebben die telomeer wordt genoemd. De gespecialiseerde proteã nen binden aan deze opeenvolgingen om een beschermend ‘GLB’ te vormen dat het chromosoom beschermt en verhindert het met andere chromosomen te smelten. Het enzym telomerase helpt ook chromosomen handhaven door herhaalde opeenvolgingen van DNA aan de einden van telomeres toe te voegen.
een van de meest bestudeerde afdekmoleculen is een eiwit genaamd Cdc13 dat zich bindt aan bepaalde soorten single-stranded DNA in ontluikende gist, en een complex vormt met twee andere eiwitten (Stn1 en Ten1) dat telomerase rekruteert (Wellinger and Zakian, 2012). Verscheidene lijnen van bewijsmateriaal suggereren dat dit complex CST ook een DNA-replicatie enzym rekruteert genoemd primase-Pola, en de activiteit van dit enzym aan de einden van chromosomen evenals andere plaatsen in het genoom kan regelen (Giraud-Panis et al., 2010; Price et al., 2010; Barbero Barcenilla en Shippen, 2019).
soortgelijke complexen zijn ook geïdentificeerd in andere eukaryoten, waaronder zoogdieren, die Stn1, Ten1 en een ander eiwit genaamd CTC1 bevatten binnen hun CST-complex (Giraud-Panis et al., 2010; Price et al., 2010). Nochtans, is het uitdagend gebleken om de rollen uit te werken die door de verschillende proteã nen in complex CST worden uitgevoerd omdat cellen die slechts één van deze proteã nen missen worstelen om te overleven (figuur 1A). Nu, in eLife, Jin-Qiu Zhou en collega ‘ s van de Chinese Academie van Wetenschappen en ShanghaiTech University-met inbegrip van Zhi – Jing Wu als eerste auteur-verslag van de resultaten van experimenten die helpen bij het verbeteren van ons begrip van de CST – complex (Wu et al., 2020).
Cdc13 en telomerase zijn essentieel voor het handhaven van lineaire chromosomen.
(a) gistcellen met veelvoudige lineaire chromosomen vereisen het afdekken eiwit Cdc13 om hun telomeren te beschermen en chromosomen te verhinderen fuseren. Zonder dit eiwit kunnen deze cellen niet overleven. (B) cellen met een enkel lineair chromosoom kunnen zonder Cdc13 overleven door de uiteinden van hun chromosoom samen te smelten tot een cirkelvormige ring. (C) bij afwezigheid van het enzym telomerase, kunnen de cellen met veelvoudige lineaire chromosomen overleven door de wegen van de recombinatie van DNA te gebruiken die de telomeeropeenvolging of de segmenten van DNA kunnen versterken die tussen de chromatin en telomeeropeenvolging zitten. (D) cellen met één enkel lineair chromosoom overleven het verlies van telomerase door samen te smelten om een cirkelchromosoom te vormen gebruikend homologe recombinatie, gelijkend op wat in cellen gebeurt die het eiwit Cdc13 missen.
beeld door: Constance Nugent and Katsunori Sugimoto.
Ten eerste, Wu et al. onderzocht hoe het verwijderen van het CST-complex de levensvatbaarheid van een stam van ontluikende gist beà nvloedde waarin al zijn 16 chromosomen samen werden gesmolten om een enkel cirkelvormig chromosoom te vormen (Shao et al., 2019). Zij vonden dat het verwijderen van CST de cellen niet tegenhield of tot meer celdood leidde, zelfs wanneer het cirkelchromosoom de herhaalde opeenvolgingen van telomeer bevatte. Het blijkt daarom dat de belangrijkste rol van het CST-complex bestaat in het handhaven van lineaire chromosomen en het voorkomen dat chromosomen fuseren met andere chromosomen, en dat het niet essentieel is voor de replicatie van interne telomeersequenties.
naast het vormen van een cirkelring, kunnen de 16 chromosomen van ontluikende gist ook worden samengevoegd tot één enkel lineair chromosoom (Shao et al., 2018). Wu et al. gevonden dat het verwijderen van het CST complex sterk verminderde de levensvatbaarheid van deze cellen, maar sommige van deze cellen konden overleven door de uiteinden van hun lineaire chromosoom te fuseren om een cirkelring te vormen (figuur 1B). Individueel het schrappen van de genen die voor de verschillende proteã nen van het complex CST coderen onthulde dat cellen die Cdc13 ontbraken een hoger tarief van fusie dan cellen die de genen voor Stn1 en Ten1 missen. Dit suggereert dat Cdc13 een dominante rol speelt in het remmen van de fusie van chromosomen, en dat Stn1 en Ten1 bijdragen aan de bescherming van telomeren onafhankelijk van Cdc13. De details van dit mechanisme blijven echter nog onduidelijk en vereisen verder onderzoek.
in wild-type cellen die meerdere chromosomen bevatten, is het zeldzaam om gefuseerde of cirkelvormige chromosomen te vinden, zelfs wanneer de activiteit van telomerase is aangetast: dit komt omdat cellen telomeren kunnen uitbreiden en in stand houden door gebruik te maken van een mechanisme dat homologie-gerichte recombinatie wordt genoemd dat dubbele gestrande breuken in DNA repareert (figuur 1C). Echter, Wu et al. gevonden dat het verminderen van het aantal chromosomen leidde tot meer fusies die in cellen worden ontdekt die het enzym telomerase missen. Dit stelt voor dat het verminderen van het aantal chromosomen de waarschijnlijkheid verhoogt dat de cellen circularized chromosomen kunnen produceren en het verlies van telomerase zullen overleven.
men dacht dat het fuseren van de twee uiteinden van het enkelvoudig lineair chromosoom gebaseerd zou zijn op een DNA-reparatieweg die de niet-homologe end-joining (NHEJ) – weg wordt genoemd (Haber, 2016). Echter, Wu et al. aangetoond dat bij afwezigheid van telomerase, chromosoomfusie afhing van Rad52, die een kritische rol speelt in de homologe nieuwe combinatie van DNA-breuken in ontluikende gist (figuur 1D). Het is mogelijk dat de cellen die in deze studie worden gebruikt zich op de weg Rad52 voor chromosoomcircularisatie baseren omdat het enige chromosoom een omgekeerde telomeeropeenvolging dichtbij één eind van het chromosoom heeft. Als een dergelijke opeenvolging werd geschrapt, zouden cellen end-to-end fusie door de nhej-weg kunnen ondergaan die gemeenschappelijker in menselijke cellen is (Palm en de Lange, 2008). Aanvullende experimenten toonden aan dat deze bevinding niet te wijten was aan een verlies in nhej activiteit en dat deze weg in staat is om linearized plasmiden smelten in ontluikende gistcellen.
het werk van Wu et al. verstrekt nieuwe inzichten in hoe chromosomen samen smelten en hoe telomeren onafhankelijk van het telomeraseenzym worden gehandhaafd. Bovendien kunnen de bevindingen van deze studie verder gaan dan gist en ons begrip van verschillende menselijke medische syndromen verbeteren die worden veroorzaakt door de uiteinden van chromosomen die fuseren om ringvormen te vormen (Pristyazhnyuk and Menzorov, 2018).