Biokemijska struktura centromer in njihove interakcije

Uvod

Centromera je del kromosoma, ki povezuje sestrski kromatidi med mitozo, pod mikroskopom jo najprej opazimo v metafazi. To je tudi mesto, kjer se sestavijo kinetohori – multiproteinska struktura, ki omogoča pritrjanje centromere na mikrotubule in ločitev sestrskih kromatid med celičnim podvajanjem. Ločimo dve vrsti centromer in sicer točkaste in regionalne centromere. Točkaste centromere (ang. point centromere) imajo določeno DNA sekvenco, ki definira centromero. Primer organizma s takimi centromerami je kvasovka S. cerevisiae. Večina organizmov, med drugim tudi človek, pa ima regionalne centromere. Centromera se oblikuje na preferiranem zaporedju, lahko pa se oblikuje tudi drugje, signal za njeno tvorbo je epigenetski.

Struktura centromer

Struktura, ki definira centromero, se razlikuje od organizma do organizma, vseeno pa lahko opišemo neko splošno strukturo. Domena centromere je zgrajena na specifičnem nukleosomu, ki ga najdemo le na tem mestu v genomu. Tu je histon H3 zamenjan s homolognim CenH3, ki ga pri ljudeh imenujemo CENP-A.

Najbolj raziskana in tudi najenostavnejša struktura centromere je prav gotovo pri kvasovki S. cerevisiae. Od ostalih organizmov se precej razlikuje, saj vsebuje točkaste centromere, ki so dolge približno 125 baznih parov in vsebujejo tri elemente DNA sekvence. Elementa CDE I in CDE III sta ohranjena na obeh kromosomih in delujeta kot sekvenčno specifičen element. Element CDE II pa glede zaporedja ni tako ohranjen, ohranjena pa je njegova dolžina (76 - 84 baznih parov) in območje bogato z adenini in timini. Zaporedje centromere je na obeh straneh obdano z nukleosomi, bogatimi z kohezini.

Pri organizmih iz kraljestva metazojev (živali, ki so se razvile iz embrijev iz ektoderma, mezoderma in endoderma) pa je struktura centromere bistveno kompleksnejša. Najopaznejša razlika je že v dolžini, saj šteje kar od 0,3 do 5 mega baznih parov. Zaporedje človeške centromere je sestavljeno iz ponovitev dolgega segmenta, ki mu rečemo alfa satelit.

Alfa satelitno zaporedje

Človeški centromeri, tako kot večina centromerov primatov so sestavljeni iz alfa satelitne DNA. To zaporedje je pomembno za funkcijo centromer in obsega do 5 % genoma. Alfa satelitna DNA je osnovana na monomeru, dolgemu 171 baznih parov. Individualni monomeri si delijo 50 - 70 % podobnosti v sekvenci. Monomeri se urejajo v višje enote ponavljanja (HOP) in te se ponavljajo znotraj centromernega lokusa. Tako alfa satelitna DNA obsega od 250 do 5000 kilo baznih parov. Tako ponavljanje HOP ustvarja homogenizirana alfa satelitna zaporedja, v katerih se sekvenca HOP razlikuje le v nekaj procentih, čeprav imajo monomeri manjšo podobnost v sekvencah. Nekateri monomeri znotraj HOP vsebujejo 17 baznih parov dolga zaporedje, poimenovano CENP-B škatlo. To je motiv, na katerega se veže DNA-vezavni centromerni protein CEBP-B. Variacije znotraj alfa satelitnega zaporedja so pogoste in kompleksne. Nekateri kromosomi si delijo večjo HOR homologijo, ki temelji na monomernih podtipih in različni organizaciji. To nam omogoči, da jih lahko klasificiramo v tri suprakromosomske družine. Zaporedje na danem kromosomu se razlikuje med homologi in med posamezniki. Zaradi dolžinskega polimorfizma so alfa satelitna zaporedja uporaben marker za sledenje podedovanosti posameznih kromosomov.

CenH3, različica specifičnega centromernega histona H3

Osnovna enota kromatina je nukleosom, v katerem je približno 174 baznih parov DNA povezanih okoli oktamera štirih histonov: H2A, H2B, H3 in H4. Regije kromatina so definirane s posttranslacijskimi modifikacijami posameznih histonov ali z ovijanjem DNA okoli histonskih variant. Območje centromere je definirano s prisotnostjo ohranjene različice histona H3. Ta različica histona H3 je splošno poimenovana kot CenH3, pri S. cerevisiae je poznana pod imenom Cse4p, pri H. sapiensu pa kot CENP-A. Pri sestavljanju CenH3 kromatina na področju centromere sta bila predlagana dva modela. Prvi razlaga o naključni razporeditvi nukleosomov, ki vsebujejo CenH3, med DNA replikacijo, temu pa sledi direktna vključitev na novo sintetiziranih CenH3 nukleosomov. Drugi model pa predlaga naključno razporeditev dimerov CenH3/H4, ki ji sledi direktna vključitev na novo sintetiziranih dimerov CenH4/H4.

Interakcije centromere in kinetohornih proteinov

Identificirani so številni kinetohorni proteini s pomembno vlogo pri strukturi centromer, tvorbi kinetohorov in ločitvi sestrskih kromatid. Kinetohorne proteine lahko razdelimo v dve skupini in sicer na fakultativne in konstitutivne. Fakultativne najdemo na področju centromere le med obdobjem mitoze, konstitutivni pa so prisotni ves čas celičnega cikla. Kohezin je makromolekulski kompleks, ki med mitozo v metafazi povezuje skupaj sestrski kromatidi. Povezava se vzpostavi med replikacijo DNA in se prekine med prehodom celice iz metafaze v anafazo.

Eden izmed do sedaj izoliranih kinetohornih proteinov, je konstitutivni protein CENP-B. Pomemben je, ker se veže na alfa satelitno DNA v človeških centromerah. Protein CENP-A je specifičen centromerni homolog histona H3 in pri ljudeh se povezuje z nukleosomi, ki vsebujejo alfa satelitno DNA. Protein CENP-C je potreben za kondenzacijo kromosomov in za vzdrževanje funkcionalnih kinetohorjev. Štirje od petih konstitutivnih kinetohornih proteinov pri sesalcih, CENP-A, CENP-C, CENP-G in CENP-H so lokalizirani na področju notranje kinetohorne plošče. Peti kinetohorni protein, CENP-B, pa se nahaja na področju centromernega heterokromatina. Taka prekinetohorna struktura obstaja skozi celični cikel in označuje lokacijo centromere na kromosomu. Ob mitozi se taka struktura kondenzira v notranjo kinetohorno ploščo, v katero se vključi še zunanja kinetohorna plošča, zgrajena iz fakultativnih centromernih proteinov.

Za tvorbo kinetohornega kompleksa in vezavo mikrotubulov je potrebnih več proteinov. Kompleksa Ctf19 in Ncd80 delujeta kot adapterja, ki se povežeta s središčem centromere in kinetohorji. Za vezavo mikrotubulov pa sta potrebna kompleksa Dam1 in Ipl1. V času potovanja celice iz metafaze v anafazo, je pomemben protein Esp1, ki deluje kot proteaza in tako omogoči ločitev sestrskih kromatid.

Epigenetsko dedovanje

V večini organizmov (izjema je kvasovka S. cerevisiae) pozicija centromere ni določena z DNA sekvenco, ampak ima pri tem glavno vlogo epigenetsko dedovanje. Raziskovalci so ugotovili, da pozicijo, funkcijo in dedovanje centromere določa protein CenH3 oziroma njegov homolog CENP-A. CenH3 je epigenetski marker centromer, saj se pojavi samo na mestu centromere. Sam CenH3 je zadosten, da sproži nastanek centromere. Omogoči tudi, da se pozicija centromere deduje iz generacije v generacijo. Kar pomeni, da lahko na zaporedju izven običajne aktivne centromere nastane funkcionalna in stabilna centromera, brez spremembe zaporedja DNA. Ta centromera se lahko na tem mestu ohrani tudi več generacij. Dejstvo, da se pojavljajo dve vrsti centromer je morda igralo pomembno vlogo v evoluciji, saj se centromere definirane s proteini lahko premikajo po kromosomu, ne da bi se pri tem spreminjalo zaporedje DNA. V redkih primerih se lahko ustvarijo nove centromere, ki jih poimenujemo neocentromere in pripomorejo k pojavu novih vrst.

Viri

• Macdonald A, Megan E, Sullivan, Beth A. The past present and the future of human centromere genomics. Genes, 2014, letn. 5, št. 1, str. 33-50
• Cleveland, Don W, Mao, Yinghui, Sullivan, Kevin F. Centromeres and kinetochores. 2003. Cell, 2003, letn. 112, št. 4, str. 407-421
• Jones S, Sgouros J. The cohesin complex: sequence homologies, interaction networks and shared motif. Genome Biology, 2001, letn. 2, št. 3
• Morris C, Mozaed D. Centromere assembly and propagation. Cell, 2007, letn. 128, št. 4, str. 647-650