粘合素与DNA环（上）

博科园AI人工智能助手 图灵

[ AI在线 ]

__

科普驿站  第三十三期

 

主题：粘合素与DNA环

科目：生物学/化学

难度：B2

时间：2019年12月15日

讲师：杜瑾鸿

 

人的一个细胞里的DNA就长达2米，细胞究竟是凭借何种高超的技术将DNA缠起来，变成尺寸只有几微米的染色体的呢？

这么长的DNA放在这么小的细胞核里，究竟是如何做到不打结呢？

细胞有时候需要让DNA链上相隔很多个碱基的DNA片段的两个片段相互靠近以促进基因表达，这是怎么实现的呢？

当你翻阅教材时，你注意到了或尝试思考过这些小细节吗？而这一切的秘密，可能都隐藏在一种叫做粘合素(cohesin)的蛋白质身上。

粘合素似乎并没有什么特殊的化学功能，例如催化或者传递化学信号，又或者特异性结合DNA来完成什么事情。可是它的功能依然极为重要，以至于在正常人体内检测到它失活突变的概率非常低，它的氨基酸排列方式在人和老鼠之间都很相似。但它只是一个朴素的环状蛋白质，可它又似乎不是一个环状肽：

它可以套住DNA：

或者：

但却不用大费周章地从末端像穿针一样将DNA套进环内，因为它也有着四级结构——它是由多个蛋白质组成，从而来一同发挥功能的。在需要时，这几个蛋白质之间的结合可以被解除，这样就能拆开环，把DNA套进来或者从DNA上把环给拿掉。

它包含着四个组分——这部分比较晦涩，也许读者可以选择性阅读：

染色体结构维持蛋白(structural maintenance of chromosome protein, SMC)：包括SMC1与SMC3这两种蛋白质。SMC1又分A、B两种，但只有其中的某一种构成了粘合素环。在有丝分裂时，SMC1A参与粘合素的构成；在减数分裂时，则是SMC1B。

染色体结构维持蛋白构成了粘合素的主体部分，即它的卷曲螺旋(coiled coil)（或者说臂（arm））与合叶(hinge)。它们的肽链首先卷曲起来，然后被对折。这样重合的两条肽链再相互卷曲缠绕，形成像DNA那样的双螺旋结构。它们被对折的地方被经过了一定的处理，使它们俩可以通过这个部分相互结合成为合叶(hinge)：

这样，就使它们形成了一个“Λ”形蛋白质。科学家们长期都在争论，到底是合叶部分，还是“头”(heads)的部分，成为了粘合素将DNA套在环中和从环中释放出来的缺口，而最近的研究发现，这两种方法可能都会使用。

SMC1和SMC3的肽链的两端在头部形成了一种特殊的空间结构，叫做核苷酸结合结构域(nucleotide-binding domain, NBD)，而且它还具有水解ATP的活性。正是依靠这种结构，SMC1-SMC3在头部(heads)通过ATP的相互结合，构成了粘合素的“内门”(inner gate)。在下图中，A、B、S是蛋白质的三种不同的空间结构。（它们其实是有全称的，A和B的全称是“脚架”A(walker A)和脚架B，S是信号(signature)的首字母。）正是它们通过与ATP结合，从而关闭了“内门”。

α-封闭蛋白(kleisin)：这个蛋白质的中文名作者暂时没有见到中文文献中出现，这里姑且译成“封闭蛋白”，因为Kleise或Κλεισε是希腊语“闭嘴”“关闭”的意思，“封闭”一词也比较符合它的功能特点。封闭蛋白是一个大家族，除α之外，还包括β-封闭蛋白、γ-封闭蛋白等类别。对于粘合素来说，它需要用到的α-封闭蛋白可能是——

Rad21（有丝分裂时）；

重组蛋白REC8（REC取自recombination的前三个字母）（减数分裂时）；

Rad21L(Rad21-like，就是“跟Rad21很相似”的意思)；

非SMC粘合蛋白I亚单位H(non-SMC condensin I complex subunit H, NCAPH)——

这四种蛋白质中的一种或几种。具体来说，到底取哪种蛋白质，依细胞内的不同场合与不同时间而有所不同。因为它们含有一个翼螺旋结构域(winged-helix domain, WHD)，所以又叫WHD亚单位。α-封闭蛋白与SMC1-SMC3的头部(heads)结合起来，就形成了粘合素的“外门”(outer gate)，要将DNA套进来，必须把内门和外门都打开才行。

HEAT重复序列亚单位：包括基质抗原1(stromal antigen 1, SA-1或者STAG1, Scc1)、SA-2(STAG2, Scc3)以及SA-3（SA-1与SA-2出现在有丝分裂时，往往同时出现；SA-3出现在减数分裂时）。HEAT这个名称来源于三种蛋白质——亨廷顿病细胞延伸因子3(Huntington elongation factor 3，HEF3)、PR65/A（PR是protein phosphatase即蛋白磷酸酶的缩写）、TOR（雷帕霉素靶蛋白(target of rapamycin)的缩写）。下图展示了蛋白磷酸酶PR65/A的HEAT重复序列：

“重复序列”，顾名思义，就是相同的氨基酸排列方式（连同空间结构一起）在一条肽链（一个蛋白质）上重复出现了很多次——在上图中可以看到，HEAT序列重复出现了15次左右。

HEAT重复序列相关亚单位：包括姐妹染色单体早期成熟分离蛋白5(precocious dissociation of sisters protein 5,Pds5，或称姐妹染色单体粘连蛋白pds5(sister chromatid cohesion protein pds5))的两个同源体蛋白质——Pds5A和Pds5B（又叫Aprin）。

HEAT重复序列亚单位和HEAT重复序列相关亚单位到底扮演者什么样的角色呢？也许你能从下文中获取一些信息。

粘合素还有很多近亲，例如粘连蛋白(condensin)：

SMC5/6：

实际上，粘合素套住DNA的机制，因这个过程的后续作用（或者它们参与的生命活动，比如有丝分裂或者减数分裂，再或者基因表达调控）的不同而变化。这里只是粗略地加以介绍。

在套环的过程开始之前，粘合素复合体的头(heads)与合叶(hinge)，会与DNA通过静电吸引相互靠近（上图的“initial DNA contact”步骤）。然后，一个由两种特殊的蛋白质——Scc2（又叫Nipped-B-like protein(NIPBL)或者Mis4）和Scc4（又叫Ssl3）（Scc家族的另外两个成员——SA-1(Scc1)和SA-2(Scc3)）——组成的异源二聚体蛋白，与SMC1-SMC3的合叶(hinge)部分相结合，导致SMC1和SMC3从中间再次被对折（上图中的“ring folding”步骤）。

Scc2-Scc4这个复合体称作黏结蛋白(kollerin)，有时又被称作“加载器”(loader)，它事先通过结合DNA上的其他蛋白质从而被间接锚定在DNA上。Kollerin这个复合蛋白，最初在2004年被美国科学家戴尔·多赛特(Dale Dorsett)称为黏附素(adherin)——因为adhere这个动词意思就是“黏着/附着”。后来，在2011年，一位英国科学家，也是粘合素方面的研究专家——基姆·内史密斯(Kim Nasmyth)提议改为“kollerin”——这个词的词源是希腊语的Κολλαο即“用胶水粘附”的意思。内史密斯认为adherin这个词容易与钙黏蛋白的cadherin混淆，且也没有很好地概括它的功能。同样地，这个蛋白质的中文名作者暂时没有见到中文文献中出现，这里译成了“黏结蛋白”。研究发现黏结蛋白可能是通过与其他蛋白质相互作用，从而被固定在染色质丝上的，换言之，有其他的蛋白质事先与DNA结合，黏结蛋白与它结合，才得以被锚定在DNA上。这个“其他蛋白质”可能是下列蛋白质中的一种或几种——

细胞分裂周期蛋白7(cell division cycle 7,cdc7)-DBF4相关因子1(Dbf4-related protein 1, drf1)激酶(DDK)；

中心体蛋白P(centromere protein P, CENPP，又叫ctf19)；

CENPN（又叫染色体丢失蛋白4(chromosome loss protein 4,CHL4)、染色体传递保真度蛋白(Chromosome transmission fidelity protein 17,CTFP17)、小染色体维持蛋白17(minichromosome maintenance protein 17,MMP17)）；

CENPL（又叫小染色体丢失增长蛋白3(increased minichromosome loss protein 3,Iml3)、MMP19）；

哑铃形成蛋白4(dumbbell forming protein 4, Dbf4，又叫DDK激酶调节亚单位DBF4(DDK kinase regulatory subunit DBF4)

但是科学家并不是那么确定。

对折之后，SMC1-SMC3的头部水解ATP。ATP是连接SMC1和SMC3的两个核苷酸结合结构域的桥梁，没有了ATP，SMC1-SMC3复合体的头部，也就是内门被打开了（上图的“heads open”步骤）。与此同时，SMC1-SMC3同时招募一个由Pds5和半翼蛋白(wings apart-like protein, Wapl)组成的异源二聚体（简称Pds5-Wapl），催化Rad21与SMC3之间的结合被拆开，这样一来粘合素环外门就打开，粘合素环因此也就被完全打开了(上图的“Rad21N-Psm3 open”步骤)。然后，粘合素环恢复自己的形状，从而将DNA套进来。然后Rad21与SMC3重新结合，SMC3的肽链的112号和113号位置的两个赖氨酸（赖氨酸的缩写是K。它的R基上有一个氨基，因为在除羧基以外的第5个碳原子，所以称作ε-氨基（ε是第五个希腊字母））的氨基被两种N-乙酰化酶——Esco1与Esco2的其中一种各加上一个乙酰基(Ac)，导致它不能靠近DNA，这个过程的完成，被称为粘合的建立(cohesion establishment)。这个乙酰基无法被去掉。

这两个乙酰基发挥的作用有时不仅是防止DNA靠近它。在细胞周期G1期到了后期阶段的时候，与SMC1-SMC3的头部结合了pds5-scc3与α-封闭蛋白，由于头部被两个乙酰基锁死而无法打开。于是乎，黏结蛋白可能会强行拆开SMC1-SMC3的合叶(hinge)，从而将环套在DNA上。在减数分裂时，情况则又不同，由Pds5B、SA-3、Wapl，以及另外一个蛋白质——sororin结合在α-封闭蛋白上。（sororin又叫细胞分裂周期相关蛋白5(Cell division cycle-associated protein 5,CDCA5)，sororin这个名字取自拉丁语soror，即姐妹的意思。所以sororin应该可以译成“姐妹蛋白”。）在粘合素的一旁，哺乳动物NIMA样激酶1(Mammalian NIMA-like kinase-1,NEK1)（NIMA是never in mitosis gene A的缩写，NIMA是一个蛋白质）结合含有一个磷酸基的蛋白磷酸酶1γ(PP1γ)，将姐妹蛋白磷酸化，导致姐妹蛋白脱离粘合素，并使NEK1与Pds5B结合，催化α-封闭蛋白与SMC3的连接断开，同样也能够完成DNA的套环。

粘合素的卸载(unloading)并不是套环的反演，因为被乙酰化的粘合素的头部是无法被打开的。并且它的机制也更加多变了。有一个机制是在Wapl、姐妹蛋白、Pds5B在场的情况下，招募分离酶(separase)，将scc1切开，然后将DNA从环中释放出来。或者，对于SMC3头部没有乙酰化的粘合素来说，则是在头部水解它结合的两个ATP的作用下将内门打开，然后Pds5-Wapl被重新招募过来，并同时结合肌醇六磷酸(IP6)（肌醇就是环己六醇，IP6就是它的六个羟基全都加上磷酸基。）催化封闭蛋白与SMC3的连接断开，也就打开了外门，从而将DNA释放出来。

总之，粘合素的套环和卸载过程都比较复杂，还涉及到各种各样的调节因子，所以我们很难做准确的定性描述。

我们下期介绍。

Key publications & References  

[1] Nasmyth, Kim. Cohesin: a catenase with separate entry and exit gates?[J]. Nature Cell Biology, 2011, 13(10):1170-1177.

[2] Nasmyth, K., & Haering, C. H. (2009). Cohesin: Its Roles and Mechanisms. Annual Review of Genetics, 43(1), 525–558. doi:10.1146/annurev-genet-102108-134233

[3] Murayama Y , Samora C P , Kurokawa Y , et al. Establishment of DNA-DNA Interactions by the Cohesin Ring[J]. Cell, 2018, 172(3):465-477.e15.

[4] Chao, W. C. H., Murayama, Y., Muñoz, S., Costa, A., Uhlmann, F., & Singleton, M. R. (2015). Structural Studies Reveal the Functional Modularity of the Scc2-Scc4 Cohesin Loader. Cell Reports, 12(5), 719–725. doi:10.1016/j.celrep.2015.06.071

[5] Murayama Y , Uhlmann F . DNA Entry into and Exit out of the Cohesin Ring by an Interlocking Gate Mechanism[J]. Cell, 2015, 163(7):1628-1640.

[6] Ladurner, R., Bhaskara, V., Huis in ’t Veld, P. J., Davidson, I. F., Kreidl, E., Petzold, G., & Peters, J.-M. (2014). Cohesin’s ATPase Activity Couples Cohesin Loading onto DNA with Smc3 Acetylation. Current Biology, 24(19), 2228–2237. doi:10.1016/j.cub.2014.08.011

[7] Weitzer, S., Lehane, C., & Uhlmann, F. (2003). A Model for ATP Hydrolysis-Dependent Binding of Cohesin to DNA. Current Biology, 13(22), 1930–1940. doi:10.1016/j.cub.2003.10.030

[8] Livak, F., & Nussenzweig, A. (2019). One ring to rule them all. Nature. doi:10.1038/d41586-019-03200-4 

[9] Chan, K.-L., Roig, M. B., Hu, B., Beckouët, F., Metson, J., & Nasmyth, K. (2012). Cohesin’s DNA Exit Gate Is Distinct from Its Entrance Gate and Is Regulated by Acetylation. Cell, 150(5), 961–974. doi:10.1016/j.cell.2012.07.028

[10] Sanborn, A. L., Rao, S. S. P., Huang, S.-C., Durand, N. C., Huntley, M. H., Jewett, A. I., … Aiden, E. L. (2015). Chromatin extrusion explains key features of loop and domain formation in wild-type and engineered genomes. Proceedings of the National Academy of Sciences, 112(47), E6456–E6465. doi:10.1073/pnas.1518552112

[11] Aragon, L., Martinez-Perez, E., & Merkenschlager, M. (2013). Condensin, cohesin and the control of chromatin states. Current Opinion in Genetics & Development, 23(2), 204–211. doi:10.1016/j.gde.2012.11.004

[12] Aaron F Severson, Barbara J Meyer. Divergent kleisin subunits of cohesin specify mechanisms to tether and release meiotic chromosomes[J]. Elife, 2014, 3(35):e03467.

[13] Susannah Rankin (2005) Sororin, the Cell Cycle and Sister Chromatid Cohesion, Cell Cycle, 4:8, 1039-1042, DOI: 10.4161/cc.4.8.1926

[14] Noia D , Javier M . Molecular biology: Unequal opportunity during class switching[J]. Nature, 2015.

[15] Shi Z , Gao H , Bai X C , et al. Cryo-EM structure of the human cohesin-NIPBL-DNA complex[J]. Science, 2020:eabb0981.

[16] Brieño-Enríquez, M. A., Moak, S. L., Toledo, M., Filter, J. J., Gray, S., Barbero, J. L., … Holloway, J. K. (2016). Cohesin Removal along the Chromosome Arms during the First Meiotic Division Depends on a NEK1-PP1γ-WAPL Axis in the Mouse. Cell Reports, 17(4), 977–986. doi:10.1016/j.celrep.2016.09.059 

[17] Ganji, M., Shaltiel, I. A., Bisht, S., Kim, E., Kalichava, A., Haering, C. H., & Dekker, C. (2018). Real-time imaging of DNA loop extrusion by condensin. Science, 360(6384), 102–105. doi:10.1126/science.aar7831

[18] Phillips, J. E., & Corces, V. G. (2009). CTCF: Master Weaver of the Genome. Cell, 137(7), 1194–1211. doi:10.1016/j.cell.2009.06.001

Figure origins

第1面上：Ref.[7]

第1面中：维基百科+作者PS

第1面下：Ref.[15]

第2面上：Ref.[2]+作者PS

第2面中：Ref.[6]

第2面下：Ref.[2]+作者PS

第3面上：https://www.cst-c.com.cn/contents/resources-protein-domains-interactions/heat-protein-domain/domains-heat

第3面下：Ref.[11]

第4面上：Ibid.

第4面下：Ref.[5]

第5面：Ref.[16]

第6面上：Ref.[17]

第6面下：Ref.[1]

第7面上：Ref.[18]

第7面下：Ref.[10]

第8面上：《环球科学》2019.4 p49+作者PS

第8面中：Dorsett, D., & Merkenschlager, M. (2013). Cohesin at active genes: a unifying theme for cohesin and gene expression from model organisms to humans. Current Opinion in Cell Biology, 25(3), 327–333. doi:10.1016/j.ceb.2013.02.003

第8面下：Ref.[3]

第9面(1)：Waldman T . Emerging themes in cohesin cancer biology[J]. Nature Reviews Cancer, 2020.

第9面(2)：Ref.[12]

第9面(3)：Acquaviva, L., Boekhout, M., Karasu, M.E. et al. Ensuring meiotic DNA break formation in the mouse pseudoautosomal region. Nature (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2327-4

第9面(4)：Ref.[8]

第9面(5)：Ref.[14]

【本文为耀星会的原创作品，未经允许，禁止盗用、转载、篡改文章，否则耀星会将追究版权责任。】

更多科普资源和答疑，请加入耀星会科普官方QQ群：433646418