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研究背景

姐妹染色单体凝聚与不同状态的黏连蛋白结合以保证真核细胞中染色体分离的准确性。当细胞进入S期时，黏连蛋白更紧密地结合以将姐妹染色单体保持在一起，这种转变称为姐妹染色单体凝聚建立。这一过程有助于遗传物质通过忠实的染色体分离，准确地流向子细胞。

黏连蛋白是真核生物中一种高度保守的多亚基蛋白复合物，介导姐妹染色单体凝聚建立。它由四个核心亚基组成：SMC1、SMC3、RAD21(酵母Scc1)和SA1或SA2(酵母Scc3)，共同形成环绕DNA的环状结构。除了包裹姐妹染色单体外，黏连蛋白还驱动高阶结构变化，如染色质环化、区室化和凝聚。

SMC3是黏连蛋白的亚基之一。SMC3乙酰化稳定黏连蛋白与染色质的结合，对姐妹染色单体凝聚至关重要。乙酰转移酶ESCO1和ESCO2催化SMC3乙酰化，触发姐妹染色单体凝聚建立。ESCO1在整个细胞周期活跃，负责大多数SMC3乙酰化，但对姐妹染色单体凝聚几乎没有影响。ESCO2仅在S期内在凝聚建立过程中催化SMC3乙酰化，即姐妹染色单体凝聚建立时修饰黏连蛋白。

MMS22L是一种重要的介导DNA复制和修复过程的蛋白质，可在特定条件下与Cullin-RING型E3泛素连接酶复合物4（CRL4）相互作用形成CRL4MMS22L复合物。CRL4包含Cullin 4A/B、RING型指环蛋白Rbx1/2、DDB1等多种亚基。CRL4MMS22L复合物可调节DNA复制过程中的DNA损伤修复、细胞周期调控及染色质拓扑结构等多个方面，具有多种生物学功能，参与疾病的发生和发展。

研究内容

1：GSK3磷酸化MMS22L参与姐妹染色单体凝聚

为了确认凝聚反应只发生在新生姐妹染色单体的机制，研究人员通过酵母双杂交筛选ESCO2调节作用的蛋白。发现酵母GSK3家族激酶Mck1通过磷酸化Mms22参与姐妹染色单体的凝聚。Mck1与Mms22相互作用，将Eco1催化的Smc3乙酰化与DNA复制联合起来。通过siRNA同时敲除GSK3A和GSK3B，或使用其相应的特异性抑制剂(GSK3i)处理细胞，发现GSK3A和GSK3B的同时缺失会导致大约15%的姐妹染色单体凝聚损失，表明GSK3对人类细胞的姐妹染色单体凝聚有贡献。

进一步研究GSK3调节姐妹染色单体凝聚的分子机制。首先确认Mms22是GSK3激酶的一个直接底物，S126/T127是Mck1的磷酸化位点。同样证实在人类中MMS22L是GSK3激酶的底物，T105是一个保守的GSK3磷酸化位点。

2：依赖GSK3的MMS22L磷酸化有效调控凝聚

研究人员首先证实CRL4MMS22L在体内存在二聚体或低聚体形式，并且以细胞周期模式与自相互作用，与S期单体凝聚建立和G2/M期凝聚解体的时间相关。在同步的不同周期的细胞中MMS22L二聚体变化与依赖细胞周期的MMS22L自相互作用基本一致，MMS22L二聚体在G1阶段几乎检测不到，在S阶段变得很明显，随后在G2/M阶段下降。

为了确定MMS22L的二聚化是否取决于GSK3介导的MMS22L磷酸化。加入GSK3i处理后共沉淀的Myc-MMS22L被消除，MMS22L二聚体减少。表明MMS22L二聚化是通过GSK3s对T105的磷酸化直接介导的。

在确定T105磷酸化在MMS22L二聚化中的关键作用后，研究评估了这一单一残基修饰对姐妹染色单体凝聚的作用。MMS22L-T105D过表达完全挽救了野生型早熟的姐妹染色单体分离，而过表达未磷酸化的T105A无影响，表明T105磷酸化对MMS22L在姐妹染色单体凝聚中的作用不可或缺。在GSK3敲低的人类细胞中，T105D可有效抑制凝聚缺陷，表明GSK3在凝聚建立过程中归因于MMS22L-T105D磷酸化和CRL4MMS22L二聚化。

3：GSK3为姐妹染色单体凝聚提供时空控制

研究发现GSK3介导的MMS22L同源二聚化可能在S期同时募集两个ESCO2分子。ESCO2在凝聚建立过程中催化SMC3乙酰化，并很大程度上取决于GSK3。发现MMS22L的染色质结合水平显示出细胞周期性振荡，与ESCO2和SMC3乙酰化的染色质结合水平相关。总之，GSK3介导的CRL4MMS22L二聚化增强SMC3乙酰化，从而增强姐妹染色单体的凝聚建立。

研究结论

在S期，GSK3s磷酸化MMS22L并触发CRL4MMS22L与ESCO2二聚化形成二聚体，用于有效的SMC3乙酰化，是新生姐妹染色单体之间建立凝聚的关键反应。在这项研究中，发现ESCO2通过GSK3介导的CRL4MMS22L同源二聚化受到分层控制，从而在姐妹染色单体中实现高度精确的靶向黏连蛋白，对凝聚建立和染色体完整性具有重要意义。