Structural Maintenance of Chromosome (SMC) complexes are involved in various cellular mechanisms that require chromosomal stability, such as regulation of chromosomal superstructure formation and chromosome segregation during cell division. Condensin, one of the SMC family protein complexes, is present in prokaryotes as well as in eukaryotes, and performs essential functions for DNA condensation and segregation. The SMC subunit of condensin consists of “head” domain that functions as an ABC ATPase and a “hinge” domain that mediates homo- or hetero-dimerization of SMC. These two domains are connected through a 49 nm coiled-coil “arm”. SMC is believed to translocate on chromosomes through a unique cyclic process of its head domains that is coupled to ATP hydrolysis. A pair of heads forms a transient dimer through sandwiching two molecules of ATP, and returns to separated monomers after the hydrolysis reaction. However, it was unknown how the ATP hydrolysis is related to the mechanical motions of SMC on DNA. In addition, the structural information of the coiled-coil arm is limited to the parts adjacent to the SMC head and hinge domain. This study elucidates the whole structure of prokaryotic Smc protein dimer using protein crystallography and high-throughput cysteine cross-linking study. Five crystal structures were determined: three fragments of Pyrococcus Smc, and two fragments of Bacillus subtilis Smc. Together with the cross-linking data, the structural reconstitution revealed that Smc adopts a rod-shaped homodimer with the two closely juxtaposed coiled-coil arms, which close the inter-arm space. This rigid rod conformation of SMC arms results in a misaligned position of the ATP-binding pockets of the two head domains. In order to bind ATP, head domains require rotational and translational movements, which induce consequent opening of Smc arms. These observations suggest a new mechanistic model for the DNA condensation where condensin targets the loading site and pulls out DNA loops through its successive mechanochemical gating.
염색체 구조유지 (SMC) 복합체는 염색체의 초구조 형성 조절, 세포 분열 시 염색체의 분리 등 염색체에 안정성을 부여 해야 하는 다양한 세포 기작에 관여한다. SMC 복합체 중 하나인 콘덴신은 진핵생물은 물론 원핵생물에도 존재하는 단백질로서, DNA의 응축과 분리에 필수적인 기능을 수행한다. SMC 소단위체는 ABC ATP가수분해효소로서 기능하는 “머리(head)” 도메인과, 이량체화에 관여하는 “경첩(hinge)” 도메인을 가지며, 이 둘은 49nm 길이의 또꼬인나선(coiled-coil)으로 이루어진 “팔”도메인을 통해 연결된다. 한 쌍의 SMC의 머리 도메인들은 두 분자의 ATP와 포개어 결합하면서 일시적인 이량체를 이루었다가 ATP를 분해하면서 다시 떨어지는 특이한 순환 과정을 통해, 염색체 위에서 능동적으로 움직인다고 알려져 있다. 그러나 아직까지 SMC의 DNA 위에서의 기계적인 움직임과 ATP가수분해기능이 어떻게 연관되는지에 관해서는 정확히 알려져 있지 않았다. 또한 SMC의 머리와 경첩 도메인과 인접한 일부를 제외한 팔 도메인의 구조도 대부분 밝혀지지 않았다.
본 연구는 대규모 시스테인 교차결합법과 단백질결정학 기법을 이용하여 원핵생물 Smc 단백질 이량체의 전체적인 구조를 분석하였다. 이를 위해 Pyrococcus 속의 고세균 Smc의 세 가지 단백질 절편과 Bacillus subtilis 종의 Smc의 두 가지 절편의 크리스탈 구조를 규명하였다. 규명된 Smc 팔 도메인 구조들을 시스테인 교차결합 지도 결과에 기반하여 연결하고 배열함으로써, Smc 팔이 가까이 인접하여 막대모양을 형성하며 사이공간을 닫는 것을 보였다. 이러한 SMC 팔의 단단한 막대 구조는 두 머리 도메인의 ATP 결합위치가 어긋나도록 만든다. 이렇게 어긋난 머리 도메인이 ATP에 결합하기 위해서는 일정 각도와 거리만큼 회전하고 미끄러지는 움직임이 필수적이며, 이에 따른 결과로 Smc 팔이 벌어질 것으로 예상된다. 이런 관찰 결과들은 콘덴신이 연속적인 기계화학적 개폐 작용을 통해 적재위치를 표적하고 DNA 고리를 형성함으로써 DNA 응축을 일으킬 것이라는 새로운 메커니즘 모델을 제시한다.