MCM complexes are barriers that restrict cohesin-mediated loop extrusion | Nature
关键词：minichromosome maintenance (MCM) complex
真核生物的基因组被压缩成环状和拓扑结合域(TADs)，这有助于转录，重组和基因组稳定。cohesin蛋白将 DNA 挤压成环状物，这种环状物被认为会延长直到 CTCF 边界被阻隔。关于loop挤压是否受到 DNA结合机器的阻碍，我们知之甚少。这里我们揭示minichromosome maintenance (MCM) complex是限制 G1期环状挤压的屏障。小鼠合子的单个核 Hi-C (high-resolution chromosome conformation capture)显示 MCM loading 减少 CTCF 锚定的环，降低 TAD 的边界绝缘，这表明在到达 CTCF 之前回路的挤出是受阻的。这种效应延伸到 hct116细胞系，其中 MCMs 影响 CTCF 锚定环的数量和基因表达。模拟结果表明，多核磁共振成像具有丰富性、随机性和部分可渗透性等特点。单分子显像显示，细胞间粘连蛋白是一种物理屏障，在体外常常限制粘连蛋白易位。值得注意的是，嵌合酵母 MCMs 含有人 mcm3的内聚相互作用基序（cohesin-interaction motif），可以诱导内聚暂停，表明 MCMs 是与结合位点有关的“活性”屏障。这些发现提高了cohesin蛋白可以通过环挤压到达 MCMs 的可能性，MCMs 决定了姐妹染色单体凝聚力形成的基因组位点。根据体内、电子计算和体外数据，我们得出结论，不同的 loop extrusion barriers形成了三维基因组。
真核生物的基因组被折叠成环，这些环是由染色体结构维持蛋白质(structural maintenance of chromosomes proteins,，SMC)产生的，包括内聚蛋白和凝聚素复合物(condensin complexes)(前文已经回顾过Genome folding through loop extrusion by SMC complexes | Nature Reviews Molecular Cell Biology)。
Loop 挤出过程中出现的组织结构已经通过 Hi-C 实验检测到了。挤压过程假设形成越来越大的环，直到cohesin遇到障碍物和/或被 Wapl (参考文献)释放.脊椎动物环状挤压的主要屏障是 CTCF ，对建立 Hi-C中可见的挤压介导的结构具有指导作用。然而，the loop extrusion machinery也会遇到其他染色质上的障碍物，如核小体和其他蛋白质复合体。虽然我们已经知道RNA 聚合酶是细菌 condensin translocation的移动障碍，并且也会影响到真核细胞的cohesin translocation，但目前还尚不清楚 SMCs 是如何在繁忙的真核细胞染色体上挤出由大量蛋白质组成的环。是否存在其他与 dna 结合的蛋白质会影响真核生物的三维基因组结构尚不清楚，而这对于理解它们的功能可能是至关重要的。
微染色体维持 (MCM) 复合物是一种丰富的大分子机器，对于真核生物和古细菌中的 DNA 复制至关重要。 MCM2-MCM7 复合物（以下简称 MCM）由原点识别复合物 (ORC)、Cdc6 和 Cdt1 在复制起点加载，以在有丝分裂和 G1 期形成复制前复合物。头对头双 MCM 六聚体以拓扑的形式捕获双链 DNA，并且在 DNA 复制开始之前作为解旋酶无催化活性。值得注意的是，加载到染色质上的 MCM 比 S 期进展所需的多 10-100 倍。这被称为“MCM 悖论”。解释这一现象的一个假设是，多余的复合物标志着在 DNA 损伤检查点激活等条件下激发的休眠起源。多余的 MCM 已被证明可以通过降低复制叉速度来防止 DNA 断裂。它们在 G1 期是否有任何功能性后果仍不清楚。鉴于 MCM 的丰富性，它们在染色质上的长停留时间（超过 6 h）和它们的可比尺寸 25（13 nm）与 FtsK 解旋酶（12.5 nm）可以在体外推动 DNA 上的黏连蛋白 ，我们想知道 MCM 是否是内聚蛋白介导的环挤出（cohesin-mediated loop extrusion）的障碍，并以此方式影响基因组结构。
图1: 染色质结合的 MCMs 阻碍 g1期合子的环路和 TAD 的形成。
图2: MCMs 阻止 CTCF锚定的循环，并独立于 Wapl 的功能。
Fig. 3: Simulation model of MCMs as a random barrier to cohesin loop extrusion.
图4: MCMs are barriers for cohesin translocation in vitro。
讨论：
根据体内、计算机和体外数据，我们已将 MCM 复合物确定为环挤出的屏障。 MCM 是一类新的随机定位和细胞周期阶段特异性屏障的成员，这些屏障阻碍 CTCF 锚定环和 TAD 的形成。一个关键问题是哪些特征决定了蛋白质是否会阻碍环挤出。大于 SMC 复合物直径的纳米颗粒可以通过挤出 SMC 复合物绕过，这表明尺寸不是唯一的决定因素。与那些可渗透的路障不同，MCM 具有两个可以促进屏障功能的显着特征。 MCM 以拓扑方式结合 DNA。尽管绕过障碍的机制尚不清楚，但可以想象，DNA 周围蛋白质的拓扑结合可能会干扰黏附素与 DNA 的结合以“摆动”蛋白质 。与此一致，拓扑上捕获姐妹染色单体的黏附素限制了卵母细胞中其他黏附素复合物介导的环挤出。此外，YDF无序区域将cohesin-MCM碰撞的结果从阻塞变为暂停，这表明MCM是具有结合位点的主动化学屏障而不是被动物理屏障。
MCM 是循环挤压的障碍这一发现为关于 MCM 和cohesin loading的知识体系提供了不同的视角。MCM 在非洲爪蟾提取物中的预复制复合物能够募集黏连蛋白（cohesin） ，并在人类细胞 DNA 复制过程中促进cohesin loading。这些研究表明，MCM 在cohesin loading方面发挥了作用。或者说，从核质中捕获cohesin并将其从自由扩散状态转变为 DNA 结合状态。我们的工作提出了cohesin 可以通过loop挤压到达MCM 位点的可能性，在那里它要么被阻塞，要么经过或暂停。在 MCM 处暂停的挤出cohesin可能会转化为拓扑结合复合物，在 DNA 复制叉通过后建立cohesion。最近有文章在 CTCF 位点提出了类似的 DNA 结合模式转换方式。而我们的想法是将 MCM 造成的cohesin loading与通过loop挤压到达 MCM 位点的cohesin区分开来。
鉴于 MCMs 的进化保守性，复制解旋酶可能是缺乏 CTCF锚定环的物种其自古便有的屏障，例如果蝇，在胚胎发育过程中 TADs 的构建与复制起始位点是一致的。最后，我们的数据表明，“ MCM 悖论”对染色质组织和基因表达有影响，这可能与人类疾病有关，例如与 MCM 负载途径突变有关的 Meier-Gorlin 综合征。
