Sororin and Separase – An Unexpected Partnership of two Master Regulators of Mitosis

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Neumann, Brigitte:
Sororin and Separase – An Unexpected Partnership of two Master Regulators of Mitosis.
Bayreuth , 2024 . - VI, 128 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

In order to accurately distribute a cell’s genetic information to generate two genetically identical daughter cells the two copies of each chromosome must be held together from their generation in S-phase until their separation in anaphase. This so-called cohesion is mediated (Luo und Tong 2017) by a ring-shaped multi-protein complex called Cohesin, which encircles DNA and is composed of the three core-subunits Smc3, Smc1 and Scc1. Cohesin rings are removed from chromatin in a stepwise manner. First, Cohesin is removed from chromosome arms by the Wapl-dependent non-proteolytic prophase pathway signaling. Cohesin at centromeres is protected by the Wapl antagonists Sororin and Sgo1-PP2A, the latter keeping Sororin in a dephosphorylated “active” state, thereby preserving centromeric cohesion. Separase finally triggers sister chromatid separation by proteolytically cleaving Scc1 of centromeric Cohesin at the metaphase to anaphase transition. Separase becomes active only upon liberation from its (mutually exclusive) inhibitors Securin, Cdk1-cyclin B1 and Sgo2-Mad2. Apart from triggering all eukaryotic anaphases, Separase also regulates a variety of other processes: Separase inhibits residual Cdk1-cyclin B1 in late M-phase, chiefly contributes to centriole disengagement in early G1, and facilitates homology directed repair of DNA double strand breaks in G2-phase. Whether the timely execution of these diverse cellular functions requires interaction of Separase with yet additional binding partners remains unresolved. In this study, Sororin was identified as an unexpected interactor of Separase and provide further inside, which domains of either protein mediate the interaction. Importantly, bacterially expressed Sororin specifically re-inhibits active Separase in vitro. The Separase-interacting, N-terminal part of Sororin is thereby necessary and sufficient for Separase inhibition. Moreover, cleavage of Scc1, its meiotic counterpart Rec8 and Separase auto-cleavage is more efficiently inhibited by Sororin than cleavage of other Separase substrates. Interestingly, phosphorylation of full-length (FL) Sororin by Aurora B (AurB) and Cdk1-Cyclin B1 (but not by Plk1) renders it unable to protect Scc1 from Separase in vitro. Phosphorylation of Sororin’s N-terminus by corresponding kinases, however, has no such effect on re-inhibition of Separase, arguing for a more complex mode of inhibition, possibly by phosphorylation of Sororin’s C-terminus. Sgo1-PP2A keeps centromeric Sororin dephosphorylated until the former relocalizes to kinetochores. In view of this known mechanism, our findings suggest that Sororin might shield centromeric Cohesin in early mitosis not only from Wapl but also from prematurely activated Separase.

Abstract in weiterer Sprache

Um die genetische Information einer Zelle exakt zu verteilen und zwei genetisch identische Tochterzellen zu erzeugen, müssen die beiden Kopien jedes Chromosoms von ihrer Entstehung in der S-Phase bis zu ihrer Trennung in der Anaphase zusammengehalten werden. Diese sogenannte Kohäsion wird durch den ringförmigen Multiproteinkomplex Cohesin vermittelt, der die DNA umschließt und aus den drei (Kern-)Untereinheiten Smc3, Smc1 und Scc1 besteht. Der Cohesin-Ring wird schrittweise vom Chromatin entfernt. Zunächst wird Cohesin von den Chromosomenarmen mit Hilfe des Wapl-abhängigen, nicht-proteolytischen Prophaseweges entfernt. Das Cohesin an den Zentromeren wird durch die Wapl-Antagonisten Sororin und Sgo1-PP2A geschützt, wobei letzteres Sororin in einem dephosphorylierten „aktiven“ Zustand hält, wodurch die zentromerische Cohesion erhalten bleibt. Separase löst schließlich die Schwesterchromatidentrennung aus, indem sie Scc1 des zentromerischen Cohesins am Metaphase-Anaphase Übergang proteolytisch spaltet. Separase wird erst nach Entfernung von ihren Inhibitoren Securin, Cdk1-Cyclin B1 und Sgo2-Mad2 aktiv. Diese Inhibitoren können nicht gleichzeitig mit Separase interagieren. Separase löst nicht nur alle eukaryotischen Anaphasen aus, das Enzym reguliert auch eine Reihe anderer Prozesse: Separase hemmt verbliebenes Cdk1-Cyclin B1 in der späten M-Phase, trägt maßgeblich zu Zentriolen-Trennung in der frühen G1-Phase bei und ermöglicht in der G2-Phase die Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen durch homologe Rekombination. Inwieweit die rechtzeitige Ausführung dieser verschiedenen zellulären Funktionen die Interaktion von Separase mit weiteren Bindungspartnern erfordert, ist noch nicht vollständig geklärt. In dieser Studie wurde Sororin als ein unerwarteter Interaktor von Separase identifiziert. Weiterhin werden Erkenntnisse darüber geliefert, welche Domänen beider Proteine die Interaktion vermitteln. Es wird gezeigt, dass bakteriell exprimiertes Sororin die aktive Separase in vitro spezifisch reinhibiert. Der Separase-interagierende, N-terminale Teil von Sororin ist dabei notwendig und hinreichend für die Separase-Inhibition. Darüber hinaus wird die Spaltung von Scc1, dem meiotischen Gegenstück Rec8 und die Separase-Selbstspaltung durch Sororin effizienter gehemmt als die Spaltung anderer Separase-Substrate. Interessanterweise führt die Phosphorylierung von Volllängen-Sororin durch AurB und Cdk1-Cyclin B1 (aber nicht durch Plk1) dazu, dass Sororin Scc1 in vitro nicht mehr vor Separase beschützen kann. Die Phosphorylierung des N-Terminus von Sororin durch die entsprechenden Kinasen hat jedoch keinen solchen Effekt auf die Inhibition von Separase, was für einen komplexeren Mechanismus der Inhibition spricht, der möglicherweise in Phosphorylierung des C-Terminus von Sororin besteht. Sgo1-PP2A hält zentromerisches Sororin in einem dephosphorylierten Zustand, bis ersteres zu den Kinetochoren relokalisiert wird. In Anbetracht dieses bekannten Mechanismus deuten die hier präsentierten Ergebnisse darauf hin, dass Sororin das zentromerische Cohesin in der frühen Mitose nicht nur vor Wapl, sondern auch vor vorzeitig aktivierter Separase schützen könnte.