Os complexos MCM são barreiras que restringem a coesina

Nature volume 606, páginas 197–203 (2022) Citar este artigo

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Os genomas eucarióticos são compactados em loops e domínios de associação topológica (TADs)1,2,3, que contribuem para a transcrição, recombinação e estabilidade genômica4,5. A coesina expulsa o DNA em loops que se acredita alongar até que os limites CTCF sejam encontrados6,7,8,9,10,11,12. Pouco se sabe se a extrusão do loop é impedida por máquinas ligadas ao DNA. Aqui mostramos que o complexo de manutenção do minicromossomo (MCM) é uma barreira que restringe a extrusão do loop na fase G1. O Hi-C de núcleo único (captura de conformação cromossômica de alta resolução) de zigotos de camundongos revela que o carregamento de MCM reduz os loops ancorados no CTCF e diminui o isolamento do limite TAD, o que sugere que a extrusão do loop é impedida antes de atingir o CTCF. Esse efeito se estende às células HCT116, nas quais os MCMs afetam o número de loops ancorados em CTCF e a expressão gênica. As simulações sugerem que os MCMs são barreiras abundantes, posicionadas aleatoriamente e parcialmente permeáveis. Imagens de moléculas únicas mostram que os MCMs são barreiras físicas que frequentemente restringem a translocação da coesina in vitro. Notavelmente, os MCMs quiméricos de levedura que contêm um motivo de interação coesina do MCM3 humano induzem a pausa da coesina, indicando que os MCMs são barreiras 'ativas' com sítios de ligação. Esses achados levantam a possibilidade de que a coesina possa chegar por extrusão de loop nos MCMs, que determinam os locais genômicos nos quais a coesão das cromátides-irmãs é estabelecida. Com base em dados in vivo, in silico e in vitro, concluímos que distintas barreiras de extrusão de loop moldam o genoma tridimensional.

Os genomas eucarióticos são dobrados em loops que são gerados por proteínas de manutenção estrutural dos cromossomos (SMC), incluindo complexos de coesina e condensina (revistos anteriormente13). As estruturas que emergem através da extrusão de loop são detectadas por experimentos Hi-C. Supõe-se que o processo de extrusão forma loops progressivamente maiores até que a coesina encontre uma barreira e/ou seja liberada por Wapl (refs. 9,10,11). A barreira predominante para extrusão de loop em vertebrados é CTCF (ref. 12), que tem um papel instrutivo no estabelecimento de estruturas mediadas por extrusão que são visíveis em Hi-C14. No entanto, a maquinaria de extrusão de loop encontra outros obstáculos na cromatina, como nucleossomos e outros complexos de proteínas. Embora as polimerases de RNA sejam barreiras móveis para a translocação de condensina em bactérias15 e afetem a translocação de coesina em eucariotos16,17, ainda não se sabe como as SMCs podem extrudar loops em cromossomos eucarióticos 'ocupados' que estão ligados por uma miríade de proteínas. Se outras proteínas ligadas ao DNA podem influenciar a arquitetura do genoma tridimensional em eucariotos não é conhecido e pode ser crítico para a compreensão de sua função.

O complexo de manutenção do minicromossomo (MCM) é uma máquina macromolecular abundante, essencial para a replicação do DNA em eucariotos e archaea18. Os complexos MCM2–MCM7 (doravante MCM) são carregados nas origens de replicação pelo complexo de reconhecimento de origem (ORC), Cdc6 e Cdt1 para formar o complexo de pré-replicação durante a mitose e a fase G119. O hexâmero MCM duplo cabeça-a-cabeça aprisiona topologicamente o DNA de fita dupla e é cataliticamente inativo como uma helicase até o início da replicação do DNA20. Notavelmente, 10 a 100 vezes mais MCMs são carregados na cromatina do que o necessário para a progressão da fase S. Isso é conhecido como o 'paradoxo MCM'21. Uma hipótese para explicar esse fenômeno é que os complexos excedentes marcam origens dormentes que disparam sob condições como a ativação do ponto de verificação de dano ao DNA22. Demonstrou-se que MCMs excedentes protegem contra quebras de DNA, reduzindo a velocidade do garfo de replicação23. Ainda não está claro se eles têm alguma consequência funcional na fase G1. Dada a abundância de MCMs, seu longo tempo de residência na cromatina24 (mais de 6 h) e seu tamanho comparável25 (13 nm) à helicase FtsK (12,5 nm) (dados estendidos Fig. 1) que pode empurrar a coesina no DNA in vitro26, perguntamos se os MCMs são obstáculos à extrusão de loop mediada por coesina e, dessa forma, influenciam a arquitetura do genoma.