ホロコンデンシンの低温電子顕微鏡構造から、サブユニットのフリップフロップ機構が明らかになった

Cryo-EM structures of holo condensin reveal a subunit flip-flop mechanism.

• Byung-Gil Lee
• Fabian Merkel
• Matteo Allegretti
• Markus Hassler
• Christopher Cawood
• Léa Lecomte
• Francis J O'Reilly
• Ludwig R Sinn
• Pilar Gutierrez-Escribano
• Marc Kschonsak
• Sol Bravo
• Takanori Nakane
• Juri Rappsilber
• Luis Aragon
• Martin Beck
• Jan Löwe
• Christian H Haering

抄録

染色体の構造維持（SMC）ファミリータンパク質を含む複合体は、生命のあらゆる領域において、ゲノムの三次元（3D）構成の基盤となっている。真核生物のSMC複合体であるコヘシンとコンデンシンは、間期染色体と有糸分裂期染色体をそれぞれ大きなループドメインに折り畳んでいると考えられているが、その根底にある分子機構は不明であった。我々は、低温電子顕微鏡を用いて、出芽酵母Saccharomyces cerevisiaeのコンデンシンのヌクレオチド駆動反応サイクルを調べた。その結果、5つのサブユニットからなるコンデンスインホロ複合体の機能段階別の構造から、ATP結合がSMCコイル状コイルの折り畳みロッド構造からよりオープンな構造への移行を誘導していることが示唆された。また、ATP結合は、SMC ATPaseヘッドドメインに結合した2つのHEAT-repeatサブユニットの交換を同時に誘発する。このような過程を経て、コンデンスインの触媒コアにあるDNA結合部位が相互変換され、DNAの移動とループ放出活性の基礎を形成していることを示唆している。

Complexes containing a pair of structural maintenance of chromosomes (SMC) family proteins are fundamental for the three-dimensional (3D) organization of genomes in all domains of life. The eukaryotic SMC complexes cohesin and condensin are thought to fold interphase and mitotic chromosomes, respectively, into large loop domains, although the underlying molecular mechanisms have remained unknown. We used cryo-EM to investigate the nucleotide-driven reaction cycle of condensin from the budding yeast Saccharomyces cerevisiae. Our structures of the five-subunit condensin holo complex at different functional stages suggest that ATP binding induces the transition of the SMC coiled coils from a folded-rod conformation into a more open architecture. ATP binding simultaneously triggers the exchange of the two HEAT-repeat subunits bound to the SMC ATPase head domains. We propose that these steps result in the interconversion of DNA-binding sites in the catalytic core of condensin, forming the basis of the DNA translocation and loop-extrusion activities.