Régulation de cohésine par le complexe TORC1 chez la levure Schizosaccharomyces pombe
Regulation of cohesin by the TORC1 complex in the yeast Schizosaccharomyces pombe
Résumé
Cohesin is a protein complex capable of capturing DNA molecules. Cohesin ensures the cohesion of sister chromatids, which is essential for chromosome segregation during nuclear divisions. It is also involved in interphase via the formation of intra-chromosomal DNA loops that shape the functional architecture of the genome. Gene expression is thus regulated by the spatial organisation of chromosomes, particularly during development and differentiation. The many functions of cohesin suggest fine regulation in time and space. The laboratory is addressing this question using a genetic approach in the model organism Schizosaccharomyces pombe. DNA capture by cohesin requires the intervention of a loading complex, Mis4/Ssl3 (hNIPBL/MAU2). The mis4-G1487D mutant is thermosensitive to growth at 36°C, has a defect in cohesin loading on chromosomes and a high frequency of chromosome segregation defects during mitosis. A genetic screen identified extragenic mutations capable of restoring the growth of mis4-G1487D at 36°C. Five of these mutations affect the mip1 gene and one the tor2 gene. Mip1 and Tor2 are components of the TORC1 complex, the equivalent of mTOR (Mammalian Target Of Rapamycin), which is a major regulatory kinase for cell metabolism and growth. Its activity is stimulated by signals such as the availability of nutrients, energy levels, hormones and growth factors. In S. pombe, Tor2 is the catalytic subunit and Mip1 (hRaptor) is involved in substrate selection. The tor2 and mip1 genes are essential for cell viability, indicating that the alleles produced by the screen are hypomorphic. We focused our work on mip1-R401G, which causes virtually no growth defects while being an excellent suppressor. Remarkably, mip1-R401G restored cohesin association with chromosomes and reduced the frequency of abnormal chromosome segregation in the mis4-G1487D mutant at 36°C. In the mis4+ background, mip1-R401G increased the amount of cohesin associated with chromosomes. Similar results were obtained by treating the cells with Rapamycin, a TORC1 inhibitor. These data suggest that TORC1 activity negatively regulates the cohesin loading complex in S. pombe.All subunits of the TORC1 complex co-purify with cohesin and Mis4. The Psm1 subunit of cohesin and Mis4 are hypophosphorylated in the mip1-R401G background. The combination of mutations mimicking the non-phosphorylated state reduces the frequency of mis4-G1487D segregation defects. Conversely, segregation defects are exacerbated by mutations mimicking the phosphorylated state. These data indicate that TORC1 controls the phosphorylation state of Psm1 and Mis4. Given that TORC1's known function is to adapt the cell to environmental changes, we carried out a transcriptome analysis in various experimental situations (culture medium composition, temperature, cell cycle phase). Taking all experiments together, 337 genes were differentially expressed in the mis4-G1487D background compared with the wild-type control. Remarkably, the genes affected differed widely from one condition to another, suggesting that mis4-G1487D cells have a defective adaptive response. Almost all the genes deregulated by mis4-G1487D were also deregulated by mip1-R401G. These genes are preferentially located at the ends of chromosomes and are involved in the stress response and sexual differentiation.Taken together, the data suggest that cohesin is an effector of the TORC1 pathway for adapting the cell to environmental changes. Mechanistically, this might involve a change in gene expression induced by a modification in the spatial organization of the genome.
Cohésine est un complexe protéique capable de capturer les molécules d’ADN. Cohésine assure la cohésion des chromatides sœurs, essentielle à la ségrégation des chromosomes lors des divisions nucléaires. Elle intervient également en interphase via la formation de boucles d’ADN intra-chromosomiques qui façonnent l’architecture fonctionnelle du génome. L’expression génique est ainsi régulée par l’organisation spatiale des chromosomes, notamment au cours du développement et de la différenciation. Les nombreuses fonctions de cohésine suggèrent une régulation fine dans le temps et l’espace. Le laboratoire adresse cette question via une approche génétique chez l’organisme modèle Schizosaccharomyces pombe. La capture de l’ADN par cohésine nécessite l’intervention d’un complexe de chargement, Mis4/Ssl3 (hNIPBL/MAU2). Le mutant mis4-G1487D est thermosensible de croissance à 36°C. A température restrictive, il présente un défaut de chargement des cohésines sur les chromosomes et une fréquence élevée de défauts de ségrégation des chromosomes lors de la mitose. Un crible génétique a identifié des mutations extragéniques capables de restaurer la croissance de mis4-G1487D à 36°C. Cinq de ces mutations affectent le gène mip1 et une le gène tor2. Mip1 et Tor2 sont des composants du complexe TORC1, l’équivalent de mTOR (Mammalian Target Of Rapamycin) qui est une kinase régulatrice majeure du métabolisme et de la croissance cellulaire. Son activité est stimulée par des signaux tels que la disponibilité en nutriments, niveaux d’énergie, hormones et facteurs de croissance. Chez S. pombe, Tor2 est la sous-unité catalytique et Mip1 (hRaptor) participe au choix du substrat. Les gènes tor2 et mip1 sont essentiels à la viabilité cellulaire indiquant que les allèles issus du crible sont hypomorphes. Nous avons focalisé nos travaux sur mip1-R401G qui ne provoque quasiment pas de défaut de croissance tout en étant un excellent suppresseur. De façon remarquable, mip1-R401G restaure l’association de cohésine aux chromosomes et diminue la fréquence de ségrégation anormale des chromosomes du mutant mis4-G1487D à 36°C. En fond mis4+, mip1-R401G provoque une augmentation de la quantité de cohésine associée aux chromosomes. Des résultats similaires ont été obtenus en traitant les cellules à la Rapamycine, un inhibiteur de TORC1. Ces données suggèrent que l’activité de TORC1 régule de façon négative le complexe de chargement des cohésines chez S. pombe.Toutes les sous-unités du complexe TORC1 co-purifient avec cohésine et Mis4. La sous unité Psm1 de cohésine et Mis4 sont hypophosphorylées en fond mip1-R401G. La combinaison de mutations imitant l’état non-phosphorylé réduit la fréquence des défauts de ségrégation de mis4-G1487D. Réciproquement les défauts de ségrégation sont exacerbés par les mutations imitant l’état phosphorylé. Ces données indiquent que TORC1 contrôle l’état de phosphorylation de Psm1 et Mis4. La fonction connue de TORC1 étant d’adapter la cellule aux changements environnementaux, nous avons mis en œuvre une analyse du transcriptome dans diverses situations expérimentales (composition du milieu de culture, température, phase du cycle cellulaire). Toutes expériences confondues, 337 gènes sont différentiellement exprimés en fond mis4-G1487D par rapport au contrôle sauvage. De façon remarquable les gènes affectés sont largement différents d’une condition à l’autre, suggérant un défaut de réponse adaptative. D’autre part, la quasi-totalité des gènes dérégulés par mis4-G1487D le sont également par mip1-R401G. Ces gènes sont préférentiellement localisés aux extrémités des chromosomes et sont impliqués dans la réponse au stress et la différenciation sexuelle.L’ensemble des données suggère que cohésine soit un effecteur de la voie TORC1 pour adapter la cellule aux changements environnementaux. Ce mécanisme ferait intervenir un changement de l’expression génique induit par une modification de l’organisation spatiale du génome.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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