A SUMO-dependent step during establishment of Sister Chromatid Cohesion

Abstract

Els anells de cohesina, formats per les proteïnes Smc1, Smc3, Scc1 i Scc3, s’uneixen topològicament al DNA, mantenint les parelles de cromàtides germanes unides des de la duplicació del DNA fins al començament de l’anafase. Aquesta funció, coneguda com a Cohesió entre Cromàtides Germanes, permet la biorientació dels cromosomes en el fus mitòtic i, posteriorment, la seva correcta segregació. Es tracta per tant d’una funció fonamental per a la vida. La cohesió entre cromàtides germanes també té altres funcions, com ara afavorir la reparació del dany en el DNA a través de recombinació homòloga. És per aquests motius que la cohesina està sotmesa a diferents nivells de regulació al llarg del cicle cel·lular, a través de diversos factors reguladors i modificacions post-traduccionals. Per exemple, l’acetilació de la subunitat Smc3 és necessària per a que els anells es mantinguin establement units a cromatina. Alteracions en la molècula de cohesina o en la seva regulació poden provocar el desenvolupament de patologies i contribuir en la progressió tumoral. En aquest estudi, descrivim la sumoilació de la cohesina com una nova modificació post-traduccional necessària per la cohesió en Saccharomyces cerevisiae. La sumoilació de la cohesina depèn, en part, de la SUMO lligasa Nse2 i d’un complex Smc5/6 plenament funcional. Totes les subunitats del complex cohesina es sumoilen in vivo durant la replicació del DNA, després de la formació dels anells de cohesina i del seu reclutament a cromatina, en un procés depenent de la unió d’ATP a les subunitats SMC, i independent de l’acetilació de Smc3. Per tal d’alterar l’estat de sumoilació dels anells de cohesina i identificar la rellevància funcional d’aquesta modificació, hem dissenyat un nou sistema experimental que permet eliminar SUMO de totes les proteïnes del complex, basat en la fusió del domini SUMO peptidasa de Ulp1 (UD) a la proteïna Scc1. Les fusions Scc1-UD s’incorporen als anells de cohesina, es carreguen en la cromatina i es localitzen adequadament sobre els cromosomes de llevat. Tanmateix, la desumoilació dels anells de cohesina bloqueja la cohesió entre les cromàtides germanes, aturant el cicle cel·lular en G2/M i provocant la pèrdua de viabilitat de les cèl·lules. Aquests efectes són deguts a l’activitat del domini SUMO peptidasa, i no a problemes estructurals en la proteïna de fusió Scc1-UD, ja que la mutació puntual del centre catalític de UD restaura la cohesió i la viabilitat cel·lular. Experiments en paral·lel suggereixen que la sumoilació de la cohesina podria tenir funcions similars en cèl·lules humanes. Sorprenentment, els anells de cohesina continuen acetilats en absència de sumoilació. Donat que els models actuals proposen que els anells es tanquen de forma estable en ser acetilats, és probable que en absència de sumoilació la cohesina encercli una sola cromàtida. Per tant, proposem que la sumoilació de la cohesina seria necessària durant la replicació del DNA per atrapar les dues cromàtides germanes de forma estable en l’interior de l’anell.

Los anillos de cohesina, formados por las proteínas Smc1, SMC3, Scc1 y Scc3, se unen topológicamente al DNA, manteniendo las parejas de cromátidas hermanas unidas desde la duplicación del DNA hasta el comienzo de la anafase. Esta función, conocida como Cohesión entre Cromátidas Hermanas, permite la biorientación de los cromosomas en el huso mitótico y, posteriormente, su correcta segregación. Se trata por lo tanto de una función fundamental para la vida. La cohesión entre cromátidas hermanas también tiene otras funciones, como favorecer la reparación del daño en el DNA a través de recombinación homóloga. Es por estos motivos que la cohesina está sometida a varios niveles de regulación a lo largo del ciclo celular, a través de diferentes factores reguladores y modificaciones post-traduccionales. Por ejemplo, la acetilación de la subunidad Smc3 es necesaria para que los anillos se mantengan establemente unidos a cromatina. Alteraciones en la molécula de cohesina y/o en su regulación pueden provocar el desarrollo de patologías y contribuir a la progresión tumoral. En este estudio, describimos la sumoilación de la cohesina como una nueva modificación post-traduccional necesaria para la cohesión en Saccharomyces cerevisiae. La sumoilación de la cohesina depende, en parte, de la SUMO ligasa Nse2 y de un complejo Smc5/6 plenamente funcional. Todas las subunidades del complejo cohesina se sumoilan in vivo durante la replicación del ADN, después de la formación de los anillos de cohesina y de su reclutamiento en cromatina, en un proceso dependiente de la unión de ATP a las subunidades SMC, e independiente de la acetilación de Smc3. Con el fin de alterar el estado de sumoilación de los anillos de cohesina e identificar la relevancia funcional de esta modificación, hemos diseñado una nueva aproximación experimental que permite eliminar SUMO de todas las proteínas del complejo, basado en la fusión del dominio SUMO peptidasa de Ulp1 (UD) a la proteína Scc1. Las fusiones Scc1-UD se incorporan a los anillos de cohesina, se cargan en la cromatina y se localizan adecuadamente sobre los cromosomas de levadura. Sin embargo, la desumoilación de los anillos de cohesina impide la cohesión entre las cromátidas hermanas, deteniendo el ciclo celular en G2/M y provocando la pérdida de viabilidad de las células. Estos efectos son debidos a la actividad del dominio SUMO peptidasa, y no a problemas estructurales en la proteína de fusión Scc1-UD, ya que la mutación puntual del centro catalítico de UD restaura la cohesión y la viabilidad celular. Experimentos en paralelo sugieren que la sumoilació de la cohesina podría tener funciones similares en células humanas. Sorprendentemente, los anillos de cohesina continúan acetilados en ausencia de sumoilación. Dado que los modelos actuales proponen que los anillos se cierran establemente al ser acetilados, es probable que en ausencia de sumoilación la cohesina se cierre en torno a una sola cromátida. En consecuencia, proponemos que la sumoilación de la cohesina sería necesaria durante la replicación del ADN para atrapar las dos cromátidas hermanas de forma estable en el interior del anillo.

Cohesin rings composed of the Smc1, Smc3, Scc1 and Scc3 proteins topologically bind to DNA, keeping pairs of sister chromatids together from the time of DNA replication until the onset of anaphase. This feature, known as Sister Chromatid Cohesion (SCC), allows the biorientation of chromosomes on the mitotic spindle, and their subsequent segregation. Sister Chromatid Cohesion also has other roles, such as enabling repair of DNA damage through homologous recombination. Thus, it is not surprising that cohesin is subjected to multiple levels of control during the cell cycle by different regulatory factors and post-translational modifications. For example, acetylation of the Smc3 subunit is required to prevent the opening of cohesin rings, keeping them stably bound to chromatin. Alterations in the cohesin molecule itself and/or its regulation may lead to the development of serious pathologies and can contribute to tumor progression. In this study, we describe the sumoylation of cohesin as a new post-translational modification required for Sister Chromatid Cohesion in Saccharomyces cerevisiae. Sumoylation of cohesin is partially dependent on the Nse2 SUMO ligase and the Smc5/6 complex. All subunits of the cohesin complex are sumoylated in vivo during DNA replication, after the formation of cohesin rings and their recruitment onto chromatin, in a process dependent on the binding of ATP to the SMC subunits, and independent of Smc3 acetylation. In order to alter the sumoylation status of cohesin rings and to identify its functional relevance, we designed a new approach to remove SUMO from all cohesin subunits, based on the fusion of the SUMO peptidase domain of Ulp1 (UD) to the Scc1 protein. Scc1-UD fusions are properly incorporated into cohesin rings, loaded onto chromatin and located along yeast chromosomes. However, desumoylation of cohesin rings prevents Sister Chromatid Cohesion, arresting cells in G2/M and causing the loss of cell viability. These effects are due to the activity of the SUMO peptidase domain rather than structural problems in the Scc1-UD fusion, since mutation of the catalytic site in the UD restores cohesion and cell viability. Parallel experiments suggest that sumoylation of cohesin might have similar functions in human cells. Surprisingly, cohesin rings remain acetylated in the absence of sumoylation. Current models propose that cohesin rings are stably locked once they are acetylated. Therefore, it is likely that in the absence of sumoylation cohesin encircles a single chromatid. Consequently, we propose that sumoylation of cohesin is required during DNA replication to entrap the two sister chromatids inside its ring structure.