The Role of Cohesin Associated Factors, Pds5,Scc3, and Wpl1 during Cohesion Establishmentand Maintenance in Budding Yeast

Abstract

During cell division, each daughter cell receives only one of two identical copies of each parental chromosome. Proper chromosomal segregation in mitosis is dependent on sister chromatid cohesion. Identical copies of parental chromosome, termed sister chromatids, are tightly associated with each other, i.e. cohesed, from DNA replication until sister chromatid segregation to the daughter nuclei during the cell division. Sister chromatid cohesion is mediated by a protein complex, called cohesin. Cohesin consists of three core subunits, Smc1, Smc3, and Scc1, which form a ring-shaped structure capable of trapping two DNA molecules inside. The ring can embrace either one or two DNA molecules and acetylation of cohesin by the acetyltransferase, Eco1, ensures that both sister chromatids are captured inside the ring. The function of three additional factors, namely Pds5, Scc3, and Wpl1, which associate with the cohesin subunit Scc1, is less clear. The essential proteins Pds5 and Scc3 were proposed to be cohesin maintenance factors, that might lock cohesin rings on the DNA and prevent them from opening during G2 and early stages of mitosis or meiosis. Pds5 and Scc3 recruit a nonessential protein, called Wpl1, and all three factors are characterized by the cohesion “anti-establishment” activity, which is neutralized through the cohesin acetylation by Eco1. We investigated Pds5, Scc3, and Wpl1 function in cohesion establishment and/or maintenance employing new experimental approaches. Pds5 and Scc3, which are essential for viability in budding yeast, were destabilized in vivo via a newly characterized degron sequence derived from the Eco1 protein, as well as the previously described DHFR-based degron. The consequences of protein depletion were carefully analyzed. Contrary to the prevailing hypothesis, we discovered that Pds5 and Scc3 are not required for locking cohesin complexes on DNA, or for cohesin association with specific chromosomal loci. However, both proteins are important for sister chromatid cohesion. Based on our results, we propose, that Pds5 and Scc3 function in cohesion establishment. Both proteins facilitate entrapment of both sister chromatids inside the cohesin ring, potentionally by promoting acetylation of the Smc3 head domain by Eco1. We show that the Eco1-derived degron is more selective in inducing protein degradation than the previously described degron and thus might provide a useful tool to study the function of essential proteins.

Während der Zellteilung erhält jede der zwei Tochterzellen genau eine Kopie der genetischen Information. Die genetische Information einer Zelle ist in Chromosomen verpackt. Ein Chromosom besteht aus zwei identischen Kopien, genannt Schwesterchromatiden, die miteinander assoziiert sind. Für die akkurate Verteilung der Schwesterchromatiden ist es notwendig diese von der Replikation der DNS bis zum Zeitpunkt der Trennung durch Kohäsion zusammenzuhalten. Für die Kohäsion von Schwesterchromatiden ist der Proteinkomplex Cohesin essentiell. Cohesin besteht aus den drei Untereinheiten Smc1, Smc3 und Scc1, die eine ringförmige Struktur bilden und zwei DNS-Moleküle umschließen können. Die Acetylierung des Ringes durch die Acetyltransferase Eco1 stellt sicher, dass beide Chromatiden umschlossen werden. Die Funktion von drei weiteren Cohesin-assoziierten Proteinen, Pds5, Scc3 und Wpl1, die an Scc1 binden, ist dagegen weniger bekannt. Es wurde vorgeschlagen, dass die essentiellen Proteine Pds5 und Scc3 Faktoren für die Aufrechterhaltung eines geschlossenen Cohesinringes sind. Pds5 und Scc3 könnten eine zu frühe Öffnung von Cohesin während der G2 Phase des Zellzykluses und in der frühen Mitose bzw. Meiose verhindern. Pds5 und Scc3 sind verantwortlich für Rekrutierung des nicht-essentiellen Proteins Wpl1. Alle drei Proteine zeigen jedoch auch eine entgegengesetzte Aktivität, welche die Etablierung von Kohäsion verhindert und durch die Acetylierung von Cohesin durch Eco1 neutralisiert wird. Wir haben die Funktion von Pds5, Scc3 und Wpl1 in der Etablierung und Aufrechterhaltung von Kohäsion der Schwesterchromatiden mit neuen experimentellen Ansätzen untersucht. Die essentiellen Proteine Pds5 und Scc3 wurden dafür mit zwei verschiedenen Degronsystemen analysiert, welche die Proteine in vivo nach der Induktion des Degrons abbauen. Eine der Degronsequenzen stammt von dem Protein Eco1, während das andere Degronsystem auf dem Protein DHFR basiert. Entgegen der bestehenden Theorien zeigen unsere Ergebnisse, dass Pds5 und Scc3 nicht essentiell sind für die Aufrechterhaltung eines geschlossenen Cohesinringes oder dessen Assoziation mit bestimmten Chromosomenarm-Regionen. Aus diesen Ergebnissen schließen wir, dass Pds5 und Scc3 eine wichtige Funktion in der Schaffung von Kohäsion zwischen den Schwesterchromatiden haben und eventuell erst die Umschließung von beiden Schwesterchromatiden ermöglichen, da beide Proteine die Acetylierung von Scm3 durch Eco1 fördern. Wir zeigen zudem, dass eine Eco1-basierte Degronsequenz selektiver ist bei dem Abbau von Proteinen als das DHFR-basierende Degronsystem und ein nützliches System für zukünftige Funktionasanalysen essentieller Proteine liefert.