Modèles de capture de la chromatine par le complexe cohésine

Après la révélation de la structure en forme d’anneau du complexe cohésine sous forme soluble, grâce à des images en microscopie électronique⁷, la question de l’association de ce complexe avec la chromatine s’est posée. Ainsi, plusieurs modèles d’interaction des cohésines avec l’ADN ont été proposés (Figure 4). Chacun apportant des arguments en faveur de son hypothèse, un modèle ne peut exclure l’autre.

Le modèle prédominant proposé par Kim Nasmyth (Figure 4B) et son équipe, propose une capture topologique des deux chromatides par un anneau unique de cohésine³³. Selon ce modèle, l’anneau de cohésine encerclerait les deux chromatides sœurs dès leur sortie de la fourche de réplication jusqu’à leur séparation en anaphase de mitose^34,35. Des arguments de nature biochimique permettent de soutenir ce modèle. L’analyse de la stœchiométrie indique qu’un anneau de cohésine ne contient qu’un seul hétérodimère de Smc1/Smc3. En effet, il a été montré chez la levure que deux protéines Smc1 étiquetées avec des épitopes différents, ne peuvent co-immunoprécipiter, de même que deux protéines Smc3 étiquetées avec des épitopes différents, en sont également incapables. En revanche, la détection de la co-immunoprécipitation d’une protéine Smc3 avec une protéine Scc1 suggère qu’une

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protéine Scc1 ne peut lier qu’un hétérodimère de Smc1/Smc3⁸. De plus, des données recueillies grâce à l’utilisation de la spectrométrie de masse, ont permis de déterminer la stœchiométrie des quatre protéines Smc1, Smc3, Scc1 et Scc3 (1 :1 :1 :1 )³⁶. De plus, d’autres arguments biochimiques en faveur du modèle de l’anneau unique de cohésine encerclant l’ADN, ont été apportés par l’utilisation de la purification par affinité. Dans cet essai, les auteurs ont montré que les parties N- et C-terminales de la protéine Scc1, co-immunoprécipitent malgré leur séparation due au clivage par la séparase, seulement si l’hétérodimère de Smc1/Smc3 auquel elles sont liées, est intègre et provient d’un même anneau de cohésine³³. Enfin, il a été montré que la fermeture artificielle de chacune des trois interfaces d’un anneau de cohésine, produit une structure cohésine/ADN résistante au traitement au SDS (Sodium Dodecyl Sulfate). En effet, les auteurs ont montré que deux minichromosomes circulaires peuvent être maintenus ensemble par un anneau de cohésine dont les interfaces sont fermées de façon artificielle, et que de ce fait, le traitement au SDS visant normalement à rompre les liaisons non covalentes entre protéines, est incapable de séparer ce dimère de minichromosomes, suggérant la possibilité du piégeage de l’ADN par un seul complexe cohésine, en faveur de sa capture topologique par ce dernier³⁷.

Un autre modèle faisant appel à une structure en forme de bracelet ou « handcuff

model» ³⁸ (Figure 4C), propose que deux anneaux de cohésine soient en interaction via leurs sous-unités Rad21, chaque anneau encerclant une chromatide. Ce modèle implique la dimérisation des complexes cohésine, dimérisation qui n’a cependant été observée que dans une seule étude³⁸ et qui n’a pas pu être mise en évidence dans le modèle S. cerevisiae. Certaines données tendent à s’opposer à ce modèle, puisqu’il a été montré d’une part, que des complexes cohésine, solubles ou liés à la chromatine, ne contiennent qu’un seul hétérodimère de Smc1/Smc3, et qu’une seule molécule de Scc1 et de Scc3 ; et d’autre part, que deux versions étiquetées du domaine de la protéine Scc1 censé interagir avec la protéine entière Scc3, ne co-immunoprécipitent pas^8,39. Les solides expériences menées par l’équipe de Kim Nasmyth sont en faveur du modèle de capture topologique par un anneau unique de cohésine³⁷.

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Repliement des coiled-coils

Liaison de la région charnière (hinge) et des têtes globulaires à l’ADN

Hydrolyse de l’ATP menant à l’ouverture transitoire de la région

charnière et entrée de l’ADN

G1 ^Entry-gate_Smc1/Smc3 Chargement Exit-gate Smc3/Rad21 Équilibre dynamique Dissociation

A

Figure 5 : Chargement du complexe cohésine.

A. Modèle de chargement du complexe : l’hydrolyse de l’ATP par les protéines Smc1 et Smc3

induirait le changement conformationnel de leurs têtes globulaires. Ce changement serait transmis à la région charnière (hinge) par l’intermédiaire des domaines coiled-coils des protéines SMC, ce qui aurait pour conséquence l’ouverture transitoire des deux sites de contacts au niveau de la région charnière. La fermeture de l’anneau de cohésine se ferait alors une fois l’ADN entré et piégé. Modifié de Evidence that Loading of Cohesin Onto Chromosomes Involves Opening of Its SMC Hinge, Gruber

et al. 2006.

B. Le complexe de chargement est composé par les protéines NIPBL/Mis4/Scc2 et MAU2/Ssl3/Scc4.

Modifié de Cohesin in cancer: chromosome segregation and beyond. Losada 2014

C. Équilibre dynamique entre chargement et dissociation des cohésines en G1.Modifié de Cohesin’s

DNA Exit Gate Is Distinct from Its Entrance Gate and Is Regulated by Acetylation, Chan et al. 2012.

B C

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II. Chargement du complexe cohésine

L’association des cohésines à l’ADN représente vraisemblablement l’événement initial de capture de l’ADN par les cohésines. La réaction de chargement nécessite l’hydrolyse de l’ATP par les têtes globulaires des protéines Smc1 et Smc3 ainsi que l’action d’un autre complexe, le complexe de chargement, composé chez S. cerevisiae des protéines Scc2 et Scc49,40

.

A. Interface et acteurs moléculaires impliqués dans le chargement du