RAD21

La proteína homóloga rad21 de reparación de roturas de doble cadena es una proteína que en humanos está codificada por el gen RAD21 . ^{[ 5 ] [ 6 ]} RAD21 (también conocido como Mcd1 , Scc1 , KIAA0078 , NXP1 , HR21 ), un gen esencial, codifica una proteína de reparación de roturas de doble cadena de ADN (DSB) que está conservada evolutivamente en todos los eucariotas desde la levadura en gemación hasta los humanos . La proteína RAD21 es un componente estructural del complejo de cohesina altamente conservado que consta de las proteínas RAD21, SMC1A , SMC3 , y SCC3 [ STAG1 (SA1) y STAG2 (SA2) en organismos multicelulares], involucrado en la cohesión de cromátidas hermanas .

rad21 fue clonado por primera vez por Birkenbihl y Subramani en 1992 ^{[ 7 ]} complementando la sensibilidad a la radiación de la levadura de fisión mutante rad21-45 , Schizosaccharomyces pombe , y los homólogos murinos y humanos de S. pombe rad21 fueron clonados por McKay, Troelstra, van der Spek, Kanaar, Smit, Hagemeijer, Bootsma y Hoeijmakers. ^{[ 8 ]}   El gen humano RAD21 ( hRAD21 ) se encuentra en el brazo largo (q) del cromosoma 8 en la posición 24.11 (8q24.11). ^{[ 8 ] [ 9 ]}   En 1997, dos grupos descubrieron independientemente que RAD21 era un componente principal del complejo de cohesina cromosómica, ^{[ 10 ] [ 11 ]} y su disolución por la proteasa de cisteína Separasa en la transición de metafase a anafase da como resultado la separación de las cromátidas hermanas y la segregación cromosómica. ^{[ 12 ]}

RAD21, perteneciente a una superfamilia de proteínas eucariotas y procariotas llamadas α-Kleisinas, ^{[ 13 ]} es una fosfoproteína nuclear, cuyo tamaño varía desde 278 aa en el lagarto doméstico ( Gekko Japonicus ) hasta 746 aa en la orca ( Orcinus Orca ), con una longitud media de 631 aa en la mayoría de las especies de vertebrados, incluidos los humanos. Las proteínas RAD21 están más conservadas en el extremo N-terminal (NT) y el extremo C-terminal (CT), que se unen a SMC3 y SMC1 , respectivamente. El dominio STAG en el medio de RAD21, que se une a SCC3 ( SA1 / SA2 ), también está conservado (Figura 1). Estas proteínas tienen señales de localización nuclear, una región ácido-básica y una región ácida (Figura 1), lo que es consistente con una función de unión a la cromatina. RAD21 es escindido por varias proteasas, incluyendo Separasa ^{[ 12 ] [ 14 ] [ 15 ]} y la endopeptidasa de cisteína dependiente de calcio Calpaína-1 ^{[ 16 ]} durante la mitosis y Caspasas durante la apoptosis . ^{[ 17 ] [ 18 ]}

RAD21 se une al heterodímero en forma de V de SMC1 y SMC3, formando una estructura tripartita en forma de anillo, ^{[ 20 ]} y luego recluta a SCC3 (SA1/SA2). El complejo de 4 elementos se llama complejo de cohesina (Figura 2). Actualmente, existen dos modelos principales en competencia para la cohesión de cromátidas hermanas (Figura 2B). El primero es el modelo de abrazo de un anillo, ^{[ 21 ]} y el segundo es el modelo de esposas diméricas. ^{[ 22 ] [ 23 ]}  El modelo de abrazo de un anillo postula que un solo anillo de cohesina atrapa dos cromátidas hermanas en su interior, mientras que el modelo de esposas de dos anillos propone el atrapamiento de cada cromátida individualmente. Según el modelo de esposas, cada anillo tiene un conjunto de moléculas de RAD21, SMC1 y SMC3. Las esposas se establecen cuando dos moléculas de RAD21 se mueven a una orientación antiparalela impuesta por SA1 o SA2. ^{[ 22 ]}

El dominio N-terminal de RAD21 contiene dos hélices α que forman un haz de tres hélices con la hélice enrollada de SMC3. ^{[ 20 ]} Se cree que la región central de RAD21 es en gran parte desestructurada, pero contiene varios sitios de unión para reguladores de la cohesina . Esto incluye un sitio de unión para SA1 o SA2, ^{[ 27 ]} motivos de reconocimiento para la separasa, la caspasa y la calpaína para su escisión, ^{[ 12 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} así como una región que se une competitivamente a PDS5A, PDS5B o NIPBL . ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]}   El dominio C-terminal de RAD21 forma una hélice alada que se une a dos láminas β en el dominio de la cabeza de Smc1. ^{[ 31 ]}

WAPL libera la cohesina del ADN al abrir la interfaz SMC3-RAD21, permitiendo así que el ADN salga del anillo. ^{[ 32 ]}   La apertura de esta interfaz está regulada por la unión de ATP a las subunidades SMC. Esto provoca la dimerización de los dominios de la cabeza de la ATPasa y deforma la estructura de hélice enrollada de SMC3, interrumpiendo así la unión de RAD21 a dicha estructura. ^{[ 33 ]}

Se han descrito un total de 285 interacciones con RAD21 ^{[ 34 ]} que participan en una amplia gama de procesos celulares, incluyendo mitosis , regulación de la apoptosis , dinámica cromosómica, cohesión cromosómica, replicación , regulación de la transcripción , procesamiento de ARN , respuesta al daño del ADN , modificación y degradación de proteínas , y citoesqueleto y motilidad celular (Figura 3). ^{[ 35 ]}

RAD21 desempeña múltiples funciones fisiológicas en diversas funciones celulares (Figura 4). Como subunidad del complejo de cohesina , RAD21 participa en la cohesión de las cromátidas hermanas desde el momento de la replicación del ADN en la fase S hasta su segregación en la mitosis, una función que está conservada evolutivamente y es esencial para la segregación cromosómica adecuada , la arquitectura cromosómica, la reparación del ADN post-replicativo y la prevención de la recombinación inapropiada entre regiones repetitivas. ^{[ 14 ] [ 26 ]} RAD21 también puede desempeñar un papel en el ensamblaje del polo del huso durante la mitosis ^{[ 36 ]} y la progresión de la apoptosis. ^{[ 17 ] [ 18 ]} En la interfase, la cohesina puede funcionar en el control de la expresión génica uniéndose a numerosos sitios dentro del genoma. Como componente estructural del complejo de cohesina, RAD21 también contribuye a varias funciones asociadas a la cromatina, incluyendo la replicación del ADN, ^{[ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]} la respuesta al daño del ADN (DDR), ^{[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]} y, lo más importante, la regulación transcripcional. ^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ] [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ] Numerosos estudios funcionales y genómicos recientes han implicado a las proteínas de cohesina cromosómicas como reguladores críticos de la expresión génica}   hematopoyética. ^{[ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] [ 62 ] [ 63 ]}

Como parte del complejo de cohesina, las funciones de Rad21 en la regulación de la expresión génica incluyen: 1) transcripción específica de alelo mediante la interacción con el factor de unión al elemento límite CCCTC ( CTCF ), ^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 57 ] [ 64 ] [ 65 ]} 2) transcripción específica de tejido mediante la interacción con factores de transcripción específicos de tejido, ^{[ 53 ] [ 66 ] [ 67 ] [ 68 ] [ 69 ] [ 70 ]} 3) progresión general de la transcripción mediante la comunicación con la maquinaria de transcripción basal, ^{[ 54 ] [ 69 ] [ 71 ] [ 72 ]} y 4) colocalización de RAD21 con factores de pluripotencia independientes de CTCF (Oct4, Nanog, Sox4 y KLF2). RAD21 coopera con CTCF, ^{[ 73 ]} factores de transcripción específicos de tejido y maquinaria de transcripción basal para regular la transcripción dinámicamente. ^{[ 74 ]} Además, para efectuar la activación adecuada de la transcripción, la cohesina forma bucles de cromatina para acercar dos regiones distantes. ^{[ 65 ] [ 70 ]} La cohesina también puede actuar como un aislador de transcripción para asegurar la represión. ^{[ 51 ]} Por lo tanto, RAD21 puede afectar tanto la activación como la represión de la transcripción.  Los potenciadores que promueven la transcripción y los aisladores que la bloquean se encuentran en elementos reguladores conservados (CRE) en los cromosomas, y se cree que las cohesinas conectan físicamente los CRE distantes con los promotores de genes de una manera específica para cada tipo celular para modular el resultado transcripcional. ^{[ 75 ]}

En la meiosis , REC8 se expresa y reemplaza a RAD21 en el complejo de cohesina. La cohesina que contiene REC8 genera cohesión entre cromosomas homólogos y cromátidas hermanas que puede persistir durante años en el caso de los ovocitos de mamíferos. ^{[ 76 ] [ 77 ]} RAD21L es otro parálogo de RAD21 que tiene un papel en la segregación cromosómica meiótica. ^{[ 78 ]}  El papel principal del complejo de cohesina Rad21L es en el apareamiento de homólogos y la sinapsis, no en la cohesión de cromátidas hermanas, mientras que Rec8 probablemente funciona en la cohesión de cromátidas hermanas. Curiosamente, concomitantemente con la desaparición de RAD21L, Rad21 aparece en los cromosomas en el paquiteno tardío y se disocia mayormente después del diploteno en adelante. ^{[ 78 ] [ 79 ]} La función de la cohesina Rad21 que aparece transitoriamente en la profase I tardía no está clara.

Las mutaciones de sentido erróneo heterocigotas u homocigotas de la línea germinal en RAD21 se han asociado con trastornos genéticos humanos, incluidas enfermedades del desarrollo como el síndrome de Cornelia de Lange ^{[ 80 ] [ 81 ] [ 82 ] [ 83 ] [ 84 ] [ 85 ] [ 86 ] [ 87 ] [ 88 ] [ 89 ] [ 90 ]} y la pseudoobstrucción intestinal crónica llamada síndrome de Mungan , ^{[ 91 ] [ 92 ]} respectivamente, y denominadas colectivamente como cohesinopatías. Las mutaciones somáticas y la amplificación de RAD21 también se han reportado ampliamente tanto en tumores sólidos humanos como hematopoyéticos. ^{[ 59 ] [ 60 ] [ 75 ] [ 93 ] [ 94 ] [ 95 ] [ 96 ] [ 97 ] [ 98 ] [ 99 ] [ 100 ] [ 101 ] [ 102 ] [ 103 ] [ 104 ] [ 105 ] [ 106 ] [ 107 ] [ 108 ] [ 109 ] [ 110 ] [ 111 ] [ 112 ] [ 113 ]}