Auflösung der Schwesterchromatidkohäsion

Die in der S-Phase etablierte Schwesterchromatidkohäsion muss bis zum Ende der Mitose gewährleistet werden und dann vollständig aufgelöst werden, da nur so eine gleichmäßige Verteilung des DNA-Gehalts auf die Tochterzellen stattfinden kann. In der Bäckerhefe S. cerevisiae wird das gesamte Cohesin beim Metaphase-Anaphase-Übergang durch Proteolyse der α-Kleisinuntereinheit vom Chromatin entfernt und die Schwester-chromatidkohäsion aufgelöst (Michaelis et al., 1997, Uhlmann et al., 1999; Abb. 3). In Metazoen hingegen erfolgt die Dissoziation des Cohesins in zwei Phasen (Losada et al., 1998, Sumara et al., 2000, Waizenegger et al., 2000). Der Großteil der an den Chromosomenarmen befindlichen Cohesinmoleküle dissoziiert bereits in der der Prophase ab, wohingegen die Zentromer-assoziierte Fraktion bis zum Übergang von Metaphase zur Anaphase am Chromatin verbleibt. Die vollständige Auflösung der Schwesterchromatid-kohäsion erfolgt dann durch eine Separase-abhängige Spaltung der α-Kleisinuntereinheit Scc1 (Hauf et al., 2001, Uhlmann et al., 1999, Uhlmann et al., 2000, Waizenegger et al., 2000). Der Prozess der Cohesinablösung zu Beginn der Mitose wird als Prophase-Weg (Abb. 5) bezeichnet und erfolgt durch ein nicht-proteolytisches Öffnen des Cohesinrings zwischen Scc1 und SMC3 (Sumara et al., 2000, Buheitel und Stemmann, 2013, Eichinger et al., 2013). Darüber hinaus erfordert der Prophase-Weg die Phosphorylierung von Sororin und Scc3/SA sowie die Wirkung des Anti-Etablierungsfaktors Wapl (Dreier et al., 2011, Nishiyama et al., 2013, Hauf et al., 2005, Sumara et al., 2002, Gandhi et al., 2006). Sororin, welches als Wapl-Antagonist wirkt, ist über die Bindung mit Pds5 mit dem Cohesinkomplex assoziiert und trägt so zur Aufrechterhaltung der mitotischen Kohäsion bei (Rankin et al., 2005 Nishiyama et al., 2010). In der S-Phase führt die Eco1-abhängige Acetylierung von SMC3 zur Bindung von Sororin und inhibiert damit die Interaktion zwischen dem N-Terminus von Wapl und Pds5 (Lafont et al., 2010, Nishiyama et al., 2010). Durch die C-terminale Assoziation von Wapl mit dem Cohesinkomplex wird eine stabile Kohäsion der Schwesterchromatiden ermöglicht (Abb. 5, links). In der Prophase der Mitose kommt es zur Cdk1-abhängigen Phosphorylierung von Sororin, welche die Bindung des N-Terminus von Wapl mit Pds5 fördert und stabilisiert (Nishiyama et al., 2010, Dreier et al., 2011, Rankin et al., 2005). Die Plk1-vermittelte Phosphorylierung von SA1/SA2 ermöglicht dann die Dissoziation des Cohesinrings von den Chromosomenarmen (Hauf et al., 2005). Das zentromerische Cohesin wird hingegen durch das Protein Shugoshin 1 (Sgo1) vor der Dissoziation im Verlauf der Prophase geschützt. Sgo1 rekrutiert die Proteinphosphatase 2A (PP2A) an diese Region, die dann eine konstante Dephosphorylierung von Sororin am Zentromer bewirkt. Dieser hypophosphorylierte Zustand führt zur stabilen Bindung von Sororin an Pds5 und verhindert damit die Bindung von Wapl (Liu et al., 2013 Abb. 5 rechts, Nummer 1). Darüber hinaus kompetiert Sgo1 auch mit Wapl um die Bindung an SA2-Scc1

(Hara et al., 2014; Abb. 5 rechts, Nummer 2), sodass die Bindung von Wapl an die zentromerische Region und eine damit einhergehende Dissoziation von Cohesin durch zwei Mechanismen verhindert wird (Abb. 5, rechts).

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Abbildung 5: Der Cohesinkomplex und die Regulation während des Prophase-Wegs. In der G1-Phase vorhandenes nicht-kohäsives Cohesin (links). Kohäsives Cohesin in der S- bzw. G2-G1-Phase sowie an den Chromosomenarmen in Mitose (Mitte). Durch die Eco1-abhängige Phosphorylierung von SMC3 (Ac=Acetyl-Gruppen) kommt es zur stabilen Assoziation von Sororin mit Pds5, die dann den N-Terminus von Wapl verdrängt. Beim zentromerischen Cohesin (rechts) bindet Sgo1 phosphorylierungsabhängig an Cohesin und schützt die zentromerische Kohäsion durch Dephosphorylierung von Sororin (1) und inhibiert die Bindung von Wapl an SA2-Scc1 (2). Die Erstellung der Abbildung erfolgte mit Hilfe der in Hara et al., 2014 diskutierten Modellvorstellungen zur Regulation des Prophase-Wegs. Modifiziert wurde hierbei die farbliche Kodierung der Cohesinunter-einheiten bzw. die Scc1/SMC3-Bindestelle.

Anders als bei höheren Eukaryonten, findet in der Bäckerhefe S. cerevisiae kein Prophase-Weg statt. Hier wird das gesamte Cohesin beim Metaphase-Anaphase-Übergang durch die Spaltung der α-Kleisinuntereinheit Scc1 vom Chromatin entfernt und die Schwesterchromatidkohäsion aufgelöst (Michaelis et al., 1997, Uhlmann et al., 1999, Abb.

3). In höheren Organismen hingegen erfolgt nur die Dissoziation der zentromerischen Cohesinfraktion durch einen Proteolyse-abhängigen Prozess. Bis zum Übergang von Metaphase zur Anaphase wird die Endopeptidase Separase durch den inhibitorischen Cofaktor Securin in einem inaktiven Zustand gehalten (Uhlmann et al., 2000, Yamamoto et al., 1996, Zou et al., 1999). Dieser wird dann in einem Ubiquitin/Proteasom-abhängigen Prozess abgebaut (Cohen-Fix et al., 1996, Ciosk et al., 1998)

Die Initiation dieses Securin-Abbauprozesses erfolgt durch die Aktivierung des anaphase-promoting Complex/Cyclosome (APC/C), welcher eine Ubiquitin-E3-Ligase darstellt, die eine Vielzahl an mitotischen Proteinen für den proteasomalen Abbau vorbereitet (Übersicht in Peters, 1999). Als Erkennungssequenz für die Separase wurde das Aminosäuremotiv E(D)XXR nachgewiesen (Uhlmann et al., 1999). Da dieses Motiv in fast allen Proteinen vorkommt, muss es noch andere Faktoren geben, die für die Separase-abhängige Spaltung benötigt werden, da bisher nur einige, wenige Separase-Substrate beschrieben wurden, darunter die Cohesinuntereinheiten Scc1/Rad21 und Rec8 (Uhlmann et al., 1999 Petronczki et al., 2003), Slk19 (Sullivan et al., 2001) und Pericentrin (Matsuo et al., 2012; Lee und Rhee, 2012). Weiterhin kommt es zur Erhöhung der Spalteffizienz von Scc1, wenn zuvor in räumlicher Nähe zur Separaseerkennungssequenz eine Plk1 (polo like kinase)-abhängige Phosphorylierung an Scc1 stattgefunden hat (Alexandru et al., 2001).

Ein weiterer Mechanismus zur Regulation von Separase beruht auf der phosphorylierungsabhängigen Assoziation des CyclinB1/Cdk1-Komplexes mit Separase (Stemmann et al., 2001, Gorr et al., 2005). Diese Interaktion führt dann genau wie die Assoziation mit Securin zur Inhibition von Separase. Beide Inhibitionsmechanismen schließen sich jedoch gegenseitig aus (Gorr et al., 2005).

Die vollständige Auflösung der Schwesterchromatidkohäsion zum Metaphase-Anaphase-Übergang muss genau reguliert sein. Denn eine frühzeitige Trennung der Schwester-chromatiden, zum Beispiel zu einem Zeitpunkt, wenn noch nicht alle Chromosomen vollständig und korrekt an die Spindel angeheftet sind, hätte die Entstehung von Aneuploidien und Chromosomenbrüchen zur Folge. Um dies zu verhindern, gibt es in der Zelle den sogenannten spindle assembly checkpoint (SAC), mit dessen Hilfe der Verlauf der Mitose gestoppt werden kann, bis alle Kinetochore bipolar mit den Mikrotubuli der Spindel assoziiert sind (Musacchio und Salmon, 2007). Als Signale für die Aktivierung des SACs dienen dabei Kinetochore ohne Mikrotubuli-Assoziation und fehlende oder falsch-ausgerichtete Spannungskräfte an den einzelnen Schwesterchromatiden. Diese Signale werden von dem SAC detektiert, welcher dann die APC/C-Aktivität inhibiert, sodass diese unter anderem nicht mehr für den Abbau von Securin zur Verfügung steht. Die Inhibition des APC/Cs erfolgt dabei durch einen Proteinkomplex bestehend aus den Proteinen Mad2, Bub3 und BubR1 (Sudakin et al., 2001), welcher als Konsequenz von fehlerhaften Kinetochor/Mikrotubuli-Assoziationen den APC/C-Aktivator Cdc20 bindet und somit keine weitere Aktivierung des APC/C mehr möglich ist (Hwang et al., 1998). Erst wenn alle Chromosomen korrekt an die mitotische Spindel angeheftet sind, kommt es zur Inaktivierung des SACs und damit einhergehend auch zur Aktivierung des APC/Cs, welcher dann die Degradation von Securin und anderer mitotischer Zielproteine initiieren und die Mitose abschließen kann (Clute und Pines, 1999, Musacchio und Salmon, 2007).