Меню

Главная
Случайная статья
Настройки
SMC-белки
Материал из https://ru.wikipedia.org

SMC-белки (сокр. от англ. Structural Maintenance of Chromosomes — структурная поддержка хромосом) — представляют собой большое семейство высококонсервативных АТФаз, играющих ключевую роль в организации хромосомной архитектуры и динамике ДНК. Они участвуют в процессах когезии сестринских хроматид, конденсации хроматина, репарации ДНК и регуляции клеточного цикла [1][2][3].

Содержание

Классификация

SMC-белки встречаются как у прокариотических, так и у эукариотических организмов.

Прокариотические SMC-белки

SMC-белки являются высококонсервативными от бактерий до человека[4][5]. Большинство бактерий имеют один SMC-белок, который функционирует в виде гомодимера[6][7]. Недавно было показано, что белки SMC помогают ДНК дочерних клеток в начале репликации, чтобы гарантировать правильное разделение молекулы. В подгруппе грамотрицательных бактерий, включая Escherichia coli, структурно-подобный белок MukB играет аналогичную роль[8].

Эукариотические SMC-белки

Эукариоты имеют как минимум шесть типов SMC-белков, в каждом отдельном организме они образуют три типа гетеродимера, которые выполняют следующие функции:
  • Гетеродимеры SMC1 и SMC3 являются основой когезина, комплекса, который отвечает за когезию (сплочённость) сестринских хроматид[9][10][11]. SMC1 и SMC3 также выполняют функции по репарации двунитевых разрывов ДНК в процессе гомологичной рекомбинации[12].
  • Гетеродимеры SMC2 и SMC4 являются основой конденсина, белкового комплекса, благодаря которому происходит конденсация хроматина[13][14]. SMC2 и SMC4 также выполняют функцию репарации ДНК. Конденсин I играет роль в репарации однонитевых разрывов, но не двунитевых. Иначе обстоит дело с конденсином II, который играет роль в гомологичной рекомбинации[12].
  • Гетеродимеры белков SMC5 и SMC6 участвуют в репарации ДНК, а также осуществляют контроль за прохождением контрольных точек[15].


Помимо SMC-белков, каждый из упомянутых выше комплексов имеет определённое количество регуляторных белковых субъединиц. В некоторых организмах идентифицированы вариации SMC-белков. Например, млекопитающие имеют мейоз-специфическую версию SMC1, названную SMC1[16]. Нематода Caenorhabditis elegans имеет специфическую версию SMC4, которая играет определённую роль в дозовой компенсации[17].

В таблице представлены подгруппы и вариативные SMC-белковые комплексы для нескольких модельных организмов и позвоночных[18]:
Подгруппа Комплекс S. cerevisiae S. pombe C. elegans D. melanogaster Позвоночные
SMC1 когезин Smc1 Psm1 SMC-1 DmSmc1 SMC1
SMC2 Конденсин Smc2 Cut14 MIX-1 DmSmc2 CAP-E/SMC2
SMC3 когезин Smc3 Psm3 SMC-3 DmSmc3 SMC3
SMC4 Конденсин Smc4 Cut3 SMC-4 DmSmc4 CAP-C/SMC4
SMC5 SMC5-6 Smc5 Smc5 C27A2.1 CG32438 SMC5
SMC6 SMC5-6 Smc6 Smc6/Rad18 C23H4.6, F54D5.14 CG5524 SMC6
SMC1 когезин (мейотический) - - - - SMC1
SMC4 variant комплекс дозовой компенсации - - DPY-27 - -


Молекулярная структура

Первичная структура

SMC-белки являются довольно крупными полипептидами и содержат от 1000 до 1500 аминокислотных остатков. Два канонических нуклеотид-связывающих мотива (АТФ-связывающие), известных как Walker A и Walker B мотивы, располагаются отдельно в N-терминальном и С-терминальном доменах, соответственно. Они имеют модульную структуру и состоят из следующих субъединиц:
  • Walker A АТФ-связывающий мотив
  • двуспиральная область I или “катушка” (coiled-coil region I)
  • шарнирный участок, также “петля” (hinge region)
  • двуспиральная область II (coiled-coil region II)
  • Walker B АТФ-связывающий мотив.


Вторичная и третичная структура

SMC димер образует V-образную структуру с двумя длинными двуспиральными плечами[19][20]. На концах молекулы белка, N-терминальный и C-терминальный фрагменты вместе образуют АТФ-связывающий домен. Другой конец молекулы называется «шарнирным участком». Два отдельных SMC-белка димеризуются своими шарнирными участками, в результате чего и образуется V-образный димер[21][22]. Длина каждого двуспирального плеча ~ 50 нм. Такие длинные «антипараллельные» двуспиральные структуры являются уникальными, и найдены только в SMC-белках (а также и их гомологов как Rad50). АТФ-связывающий домен SMC-белков структурно подобен аналогичному домену ABC-транспортёров, большой семьи трансмембранных белков, специализирующихся на перемещении низкомолекулярных соединений через мембраны. Предполагается, что цикл связывания и гидролиза АТФ модулирует цикл закрытия и открытия V-образной молекулы. Однако детальные механизмы действия белков SMC ещё предстоит выяснить.

Агрегация SMC

Белки SMC способны формировать более крупные кольцеподобные структуры. Способность создавать различные архитектурные конфигурации позволяет регулировать различные функции. Некоторые из возможных конфигураций — двойные кольца, филаменты и розетки. Двойные кольца — это 4 белка SMC, связанные головками и шарнирами, образующие кольцо. Филаменты представляют собой цепочку чередующихся SMC. Розетки — представляют собой розоподобные структуры с терминальными сегментами во внутренней области и петлёй во внешней области[23].

Функциональные механизмы SMC-белков

Когезия сестринских хроматид

Когезин (SMC1/SMC3) образует кольцевые структуры, окружающие сестринские хроматиды, предотвращая их преждевременное разделение 24. Механизм включает:
  1. Формирование кольца: SMC1 и SMC3 связываются через шарнирные области, образуя антипараллельные двуспиральные домены. Субъединицы SCC1 и SCC3 стабилизируют кольцо, закрепляя его в закрытом состоянии 2.
  2. Загрузка на ДНК: Комплексы прикрепляются к хромосомам на ранних этапах S-фазы. АТФазная активность SMC-белков и вспомогательные белки (например, Scc2/Scc4 у дрожжей) регулируют процесс 2.
  3. Удержание хроматид: Кольца когезина могут захватывать обе сестринские хроматиды, образуя «мост» или димеризированные структуры («наручники»), где каждое кольцо окружает одну хроматиду 2.


Конденсация хромосом

Конденсин (SMC2/SMC4) обеспечивает уплотнение хроматина в митозе и мейозе:
  1. Образование супервитков: Конденсин индуцирует положительные супервитки ДНК, что приводит к компактизации хроматина в 10 000 раз [4].
  2. Регуляция топологии: АТФ-зависимая активность SMC2/SMC4 позволяет манипулировать топологическими узлами, упрощая разделение хромосом.
  3. Специфичность: У C. elegans конденсины могут селективно конденсировать неактивные Х-хромосомы, что связано с дозозависимой регуляцией генов [1].


Репарация ДНК

Когезин и SMC5/SMC6 участвуют в восстановлении повреждений:
  1. Гомологичная рекомбинация: Когезин стабилизирует двунитевые разрывы, облегчая поиск гомологичных последовательностей для репарации 4.
  2. Контроль целостности генома: SMC5/SMC6-комплексы координируют репарацию через мониторинг хромосомных аберраций и активацию контрольных точек 4.
  3. Репарация однонитевых разрывов: Конденсин I участвует в репарации однонитевых повреждений, тогда как конденсин II — в гомологичной рекомбинации 4.


Регуляция транскрипции

SMC-белки влияют на доступность хроматина:
  1. Компактизация неактивных регионов: Конденсины способствуют инактивации X-хромосомы у C. elegans, ограничивая доступ факторов транскрипции .
  2. Структурная поддержка: Когезин и SMC5/SMC6-комплексы могут модулировать топологию хроматина, влияя на экспрессию генов .


Ключевые молекулярные процессы
  1. АТФ-зависимая активность: Гидролиз АТФ регулирует конформацию SMC-белков, переключая их между открытыми и закрытыми состояниями 2.
  2. Димеризация: Шарнирные области обеспечивают гибкость, позволяя взаимодействовать с ДНК в разных топологических состояниях 2.
  3. Контроль точек цикла: SMC5/SMC6-комплексы задерживают прогрессию клеточного цикла при обнаружении повреждений, активируя сигнальные пути 4.


Эти механизмы демонстрируют универсальность SMC-белков в поддержании геномной стабильности, от прокариот до человека.

Гены, кодирующие белки

SMC-белки у человека кодируются следующими генами:

См. также

Примечания
  1. Losada A., Hirano T. Dynamic molecular linkers of the genome: the first decade of SMC proteins (англ.) // Genes Dev : journal. — 2005. — Vol. 19, no. 11. — P. 1269—1287. — doi:10.1101/gad.1320505. — PMID 15937217.
  2. Nasmyth K., Haering C.H. The structure and function of SMC and kleisin complexes. (англ.) // Annu. Rev. Biochem.[англ.] : journal. — 2005. — Vol. 74. — P. 595—648. — doi:10.1146/annurev.biochem.74.082803.133219. — PMID 15952899.
  3. Huang C.E., Milutinovich M., Koshland D. Rings, bracelet or snaps: fashionable alternatives for Smc complexes (англ.) // Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci : journal. — 2005. — Vol. 360, no. 1455. — P. 537—542. — doi:10.1098/rstb.2004.1609. — PMID 15897179. — PMC 1569475.
  4. Harvey, Susan H.; Krien, Michael J. E.; O'Connell, Matthew J. (2002). Structural maintenance of chromosomes (SMC) proteins, a family of conserved ATPases. Genome Biology. 3 (2): REVIEWS3003. doi:10.1186/gb-2002-3-2-reviews3003. ISSN 1474-760X. PMC 139016. PMID 11864377.
  8. Niki H., Jaff A., Imamura R., Ogura T., Hiraga S. The new gene mukB codes for a 177 kd protein with coiled-coil domains involved in chromosome partitioning of E. coli (англ.) // EMBO J. : journal. — 1991. — Vol. 10, no. 1. — P. 183—193. — PMID 1989883. — PMC 452628.
  12. 1 2
  20. Anderson DE, Losada A, Erickson HP, Hirano T. (2002). Condensin and cohesin display different arm conformations with characteristic hinge angles. J. Cell Biol. Vol. 156, no. 6. pp. 419–424. doi:10.1083/jcb.200111002. PMID 11815634.{{cite news}}: Википедия:Обслуживание CS1 (множественные имена: authors list) (ссылка)
  21. Haering CH, Lwe J, Hochwagen A, Nasmyth K. (2002). Molecular architecture of SMC proteins and the yeast cohesin complex. Mol. Cell. Vol. 9, no. 4. pp. 773–788. doi:10.1016/S1097-2765(02)00515-4. PMID 11983169.{{cite news}}: Википедия:Обслуживание CS1 (множественные имена: authors list) (ссылка)
  22. Hirano M, Hirano T. (2002). Hinge-mediated dimerization of SMC protein is essential for its dynamic interaction with DNA. EMBO J. Vol. 21, no. 21. pp. 5733–5744. doi:10.1093/emboj/cdf575. PMID 12411491.
  23. Molecular biology : principles and practice. — Second. — New York, 2015. — ISBN 978-1-4641-2614-7.
Downgrade Counter