La remodelación de la cromatina es la modificación dinámica de la arquitectura de la cromatina para permitir el acceso de proteínas reguladoras de la transcripción al ADN genómico empaquetado, controlando así la expresión génica. Esta remodelación es realizada principalmente por: Modificaciones covalentes de las histonas por enzimas específicas (ej.: histona acetiltransferesas (HATs), deacetilasas, metiltransferasas y quinasas) y Complejos proteicos remodeladores de la cromatina dependientes de ATP, los cuales mueven, eyectan o restructuran los nucleosomas. Además de regular activamente la expresión génica, la remodelación dinámica de la cromatina cumple un rol regulador epigenético para diferentes procesos biológicos, tales como la replicación y reparación del ADN, apoptosis, segregación de cromosomas, así como el desarrollo celular y la pluripotencia. Las alteraciones en proteínas remodeladoras de la cromatina se asocian con enfermedades humanas como el cáncer, por lo que, actualmente, se estudian rutas implicadas en remodelación de la cromatina en búsqueda de dianas para estrategias terapéuticas de tratamiento del cáncer.
Introducción La regulación transcripcional en el genoma se controla principalmente, en un estadio inicial, por la unión de proteínas reguladoras (ej.: ARN polimerasa, factores de transcripción y activadores y represoras de la transcripción) a la secuencia promotora de la región codificante del ADN. Sin embargo, el ADN se encuentra densamente empaquetado en el núcleo celular con la colaboración de proteínas de empaquetamiento, principalmente histonas que forman unidades repetidas de nucleosomas, los cuales se agrupan formando la estructura condensada de la cromatina. Esta condensación oculta gran cantidad de regiones del ADN a la acción de proteínas reguladoras de la expresión génica. El proceso de la remodelación de la cromatina, al modificar la arquitectura de los nucleosomas y exponer u ocultar regiones del ADN, permite superar este obstáculo y permitir el acceso dinámico al ADN para la regulación de la transcripción.
Por definición, la remodelación de la cromatina es un proceso mediado por enzimas para facilitar el acceso de los nucleosomas al modificar la estructura, composición y posicionamiento de estos.
Clasificación El acceso de los nucleosomas al ADN está controlado principalmente por dos clases de complejos proteicos:
Complejos modificadores de histonas (modificaciones covalentes). Complejos remodeladores de la cromatina dependientes de ATP.
Complejos modificadores de histonas Determinados complejos proteicos catalizan adición o eliminación de componentes químicos en las histonas. Estas modificaciones enzimáticas incluyen acetilación, metilación, fosforilación y ubiquitinización, ocurriendo principalmente en los extremos N-terminal de las histonas. Estas afectan a la afinidad de unión de las histonas al ADN, relajando o fortaleciendo la condensación del ADN sobre las histonas, por ejemplo, la metilación de determinados residuos de lisinas en las histonas H3 y H4 genera una mayor condensación del ADN, previniendo así la unión de factores de transcripción que active la expresión génica. Por el contrario, la acetilación de histonas reduce la condensación de la cromatina y expone el ADN a factores de transcripción, conllevando un incremento de la expresión génica.
Modificaciones conocidas Entre las modificaciones de histonas mejor estudiadas se encuentran:
Metilación
Los residuos de lisina y arginina se pueden metilar. Las lisinas metiladas son las marcas o modificaciones mejor conocidas del código de las histonas, ya que estas se corresponden con un estado de expresión génica activa. La metilación de lisinas H3K4 y H3K36 se correlacionan con activación transcripcional, mientras que la desmetilación de H3K4 se correlaciona con el silenciamiento de esta. La metilación de lisinas H3K9 y H3K27 se correlaciona con represión transcripcional. La histona H3K9me3 en concreto está altamente relacionada con la heterocromatina constitutiva.
Acetilación - por HAT (histona acetiltransferasas); desacetilación - por HDAC (histona deacetilasas)
La acetilación suele caracterizar a las regiones abiertas de la cromatina, ya que las histonas acetiladas no se pueden empaquetar tan bien como las desacetiladas.
Fosforilación Ubiquitinación
Existen muchas más modificaciones de histonas, cuyo catálogo se ha expandido gracias a los métodos de espectrometría de masas.
Hipótesis del código de histonas El código de histonas es una hipótesis que plantea que la transcripción de la información genética codificada en el ADN está en parte regulada por modificaciones químicas de las histonas, principalmente en sus extremos N-terminal. Además de otras modificaciones, como la metilación del ADN, estas constituyen el código epigenético.
Existe evidencia de que este código está escrito por enzimas específicas, las cuales pueden, por ejemplo, metilar o acetilar el ADN ("escritoras"), eliminado por otras enzimas con actividad demetilasa o deacetilasa ("borradoras"), y finalmente, identificado por proteínas ("lectoras"), las cuales son reclutadas a estas modificaciones uniéndose vía dominios específicos (ej.: bromodominio, cromodominio etc.). Esta triple acción de "escribir", "leer" y "borrar" establecen un ambiente local favorable para la regulación transcripcional, reparación del ADN etc.
El concepto crítico de la hipótesis de código de histonas es que las modificaciones sirven para reclutar otras proteínas mediante reconocimiento específico de la histona por los dominios especializados de las proteínas, en lugar de simplemente estabilizar y desestabilizar la interacción histona-ADN. Estas proteínas modifican la estructura de la cromatina de manera activa.
A continuación se presenta un resumen del código de histonas y su relación con el estado de la expresión génica (nomenclatura explicada aquí): Tipo de modificación Histona H3K4 H3K9 H3K14 H3K27 H3K79 H4K20 H2BK5 monometilación activación activación activación activación activación activación dimetilación represión represión activación trimetilación activación represión represión activación,represión represión acetilación activación activación
Remodelación de la cromatina dependiente de ATP Los complejos remodeladores de cromatina dependientes de ATP regulan la expresión génica al mover, eyectar o restructurar los nucleosomas. Estos complejos proteicos tienen un dominio común de actividad ATPasa, el cual, mediante la energía obtenida al hidrolizar ATP, permite reposicionar nucleosomas (proceso usualmente denominado "deslizamiento de nucleosoma"), eyectar o ensamblar histonas o facilitar el intercambio de variantes de histonas, creando así regiones libres de nucleosomas. También, diferentes remodeladores son capaces de translocar el ADN para realizar remodelaciones específicas.
Todos los complejos tienen una subunidad ATPasa, la cual pertenece a la superfamilia de proteínas SNF2. Se han identificado dos grupos principales de subunidades implicadas, conocidos como el grupo SWI2/SNF2 y el grupo de imitación ISWI. Recientemente se ha identificado complejos dependientes de ATP que contienen una subunidad similar a Snf2 ATPasa, la cual también tiene actividad deacetilasa.
Complejos remodeladores de la cromatina conocidos miniaturadeimagen| INO80 estabiliza las horquillas de replicación y contrarresta la mala localización de H2A.Z|350x350px Existen al menos 4 familias de remodeladores de la cromatina en eucariotas: SWI/SNF, ISWI, NuRD/Mi-2/CHD y INO80. Las dos primeras son las mejor estudiadas en la actualidad, especialmente en levaduras. Aunque todos los remodeladores comparten un dominio común ATPasa, cumplen funciones específicas para diferentes procesos biológicos (reparación del ADN, apoptosis etc.) Esto se debe al hecho de que cada complejo tiene dominios proteicos únicos (helicasa, bromodominio etc.) en su región ATPasa, además de que están compuestas de diferentes subunidades.
Funciones específicas
Múltiples experimentos in vitro sugieren que los remodeladores ISWI organizan los nucleosomas en grupos, creando espacios igualados entre estos, mientras que los remodeladores SWI/SNF desordenan los nucleosomas. Se ha comprobado que los remodeladores ISWI cumplen un rol central en el empaquetamiento de la cromatina y el mantenimiento de su estructura tras la replicación del ADN. Los remodeladores SWI/SNF e INO80 participan en la reparación de roturas de doble cadena en el ADN (DSB) y de pérdida de nucleótidos (NER), por lo que cumplen un papel importante en la respuesta a daños en el ADN mediada por TP53. Los remodeladores NuRD/Mi-2/CHD participan principalmente en la represión de la transcripción y son necesarios para el mantenimiento de la pluripotencia en células madre embrionarias.
Relevancia miniaturadeimagen|400x400px|Complejos de remodelación de cromatina en la regulación dinámica de la transcripción:En presencia de histonas acetiladas (mediadas por HAT) y ausencia de actividad metilasa (HMT), la cromatina se empaqueta de forma suelta. El reposicionamiento adicional del nucleosoma por el complejo remodelador de la cromatina, SWI/SNF abre la región del ADN donde las proteínas de la maquinaria de transcripción, como ARN Polimerasa II, los factores de transcripción y los coactivadores se unen para activar la transcripción de genes. En ausencia de SWI/SNF, los nucleosomas no pueden moverse más y permanecer estrechamente alineados entre sí. La metilación adicional por HMT y la desacetilación por las proteínas HDAC condensan el ADN alrededor de las histonas y, por lo tanto, hacen que el ADN no esté disponible para unirse a ARN Polimerasa II y otros activadores, lo que lleva al silenciamiento génico.
En procesos biológicos (condiciones normales) La remodelación de la cromatina cumple un rol central en la regulación de la expresión génica al permitir el acceso al genoma desempaquetado de la maquinaria transcripcional. Además, el desplazamiento de los nucleosomas por los remodeladores es esencial para diversos procesos biológicos: condensar y segregar cromosomas, replicación y reparación del ADN, desarrollo embrionario, pluripotencia y progresión del ciclo celular. La desregulación de los remodeladores de la cromatina causa la pérdida de la regulación transcripcional en los puntos de control críticos para las funciones biológicas, causando así diferentes enfermedades, como el cáncer.
Respuesta al daño del ADN La relajación de la cromatina es una de las respuestas más tempranas a cualquier daño en el ADN. Se han llevado a cabo múltiples experimentos sobre la cinética de reclutamiento de proteínas implicadas en la respuesta a daños en el ADN. Esta parece iniciarse por PARP1, cuya acumulación en el sitio de reparación alcanza el 50% en 1,6 segundos tras la rotura del ADN. Rápidamente ocurre la acumulación del remodelador Alc1, el cual tiene un dominio de unión a ADP-ribosa, permitiéndole unirse rápidamente al producto de PARP1. La máxima acumulación de Alc1 ocurre 10 segundos después de la rotura del ADN. En este tiempo ocurre la relajación de la cromatina. La acción de PARP1 permite el reclutamiento de enzimas de reparación MRE11 (50% de acumulación en 13 segundos) y NBS1 (50% de acumulación en 28 segundos).
Otra ruta de relajación de la cromatina, tras la rotura de la doble cadena de ADN, incluye a γ-H2AX, la forma fosforilada de la proteína H2AX. La histona H2AX constituye aproximadamente el 10% de las histonas H2A en la cromatina humana. La γ-H2AX (fosforilada en la serina 139 de H2AX) se detectó 20 segundos y alcanzó 50% de acumulación 1 minuto después de la irradiación de las células, agente causante de la rotura de doble cadena de ADN. En la región de reparación, la extensión de cromatina con γ-H2AX fosforilada era de 2 Mbs.