Octámero de histonas

En biología molecular , un octámero de histonas es el complejo de ocho proteínas que se encuentra en el centro de una partícula central del nucleosoma . Consiste en dos copias de cada una de las cuatro proteínas histonas centrales ( H2A , H2B , H3 y H4 ). El octámero se ensambla cuando un tetrámero , que contiene dos copias de H3 y dos de H4, forma complejos con dos dímeros H2A/H2B. Cada histona tiene una cola N-terminal y un pliegue de histona C-terminal . Cada uno de estos componentes clave interactúa con el ADN a su manera a través de una serie de interacciones débiles, incluidos enlaces de hidrógeno y puentes salinos . Estas interacciones mantienen el ADN y el octámero de histonas asociados de forma vaga y, en última instancia, permiten que ambos se reposicionen o se separen por completo.

Las modificaciones postraduccionales de las histonas se identificaron por primera vez y se enumeraron como poseedoras de un papel regulador potencial en la síntesis de ARN en 1964. ^[1] Desde entonces, a lo largo de varias décadas, la teoría de la cromatina ha evolucionado. Los modelos de subunidades de la cromatina, así como la noción del nucleosoma, se establecieron en 1973 y 1974, respectivamente. ^[2] Richmond y su grupo de investigación han podido dilucidar la estructura cristalina del octámero de histonas con ADN envuelto a su alrededor con una resolución de 7 Å en 1984. ^[3] La estructura del complejo central octamérico se revisó siete años después y se dilucidó una resolución de 3,1 Å para su cristal a una alta concentración de sal. Aunque la similitud de secuencia es baja entre las histonas centrales, cada una de las cuatro tiene un elemento repetido que consiste en una hélice-bucle-hélice llamado motivo de pliegue de histona . ^[4] Además, los detalles de las interacciones proteína-proteína y proteína-ADN se ajustaron mediante estudios de cristalografía de rayos X a 2,8 y 1,9 Å, respectivamente, en la década de 2000. ^[5]

Las histonas centrales son cuatro proteínas llamadas H2A, H2B, H3 y H4 y todas se encuentran en partes iguales en la célula. Las cuatro secuencias de aminoácidos de las histonas centrales contienen entre un 20 y un 24% de lisina y arginina y el tamaño de la proteína varía entre 11400 y 15400 daltons, lo que las hace relativamente pequeñas, pero proteínas con una carga muy positiva. ^[6] El alto contenido de aminoácidos con carga positiva les permite asociarse estrechamente con el ADN con carga negativa . Los heterodímeros, o intermediarios solo de histonas, se forman a partir de dominios de pliegues de histonas. La formación de intermediarios solo de histonas se produce cuando las histonas centrales se aparean en el heterodímero cuasi simétrico de forma de media luna entrelazada. Cada dominio de pliegue de histona está compuesto por 3 regiones de hélice α que están separadas por bucles desordenados. El dominio de plegamiento de histonas es responsable de la formación de heterodímeros de cabeza a cola de dos histonas: H2A-H2B y H3-H4. Sin embargo, las histonas H3 y H4 primero forman un heterodímero y luego, a su vez, el heterodímero se dimeriza para formar un tetrámero (H3-H4) ₂ . ^[7] La ​​formación del heterodímero se basa en la interacción de residuos de aminoácidos hidrofóbicos entre las dos proteínas. ^[7]

La cuasi simetría permite que el heterodímero se superponga a sí mismo mediante una rotación de 180 grados alrededor de este eje de simetría. Como resultado de la rotación, dos extremos de las histonas involucradas en la unión del ADN de la forma creciente H3-H4 son equivalentes, pero organizan diferentes tramos de ADN. El dímero H2A-H2B también se pliega de manera similar. El tetrámero (H3-H4) ₂ se envuelve con ADN a su alrededor como un primer paso de la formación del nucleosoma. Luego, dos dímeros H2A-H2B se conectan al complejo ADN-(H3-H4) ₂ para formar un nucleosoma. ^[8]

Cada una de las cuatro histonas centrales, además de sus dominios de pliegue de histona, también contiene extensiones flexibles y no estructuradas llamadas "colas" de histonas . ^[9] El tratamiento de los nucleosomas con la proteasa tripsina indica que después de eliminar las colas de histonas, el ADN puede permanecer firmemente unido al nucleosoma. ^[6] Las colas de histonas están sujetas a una amplia gama de modificaciones que incluyen fosforilación , acetilación y metilación de residuos de serina, lisina y arginina. ^[6]

La partícula central del nucleosoma es la forma más básica de compactación del ADN en eucariotas . Los nucleosomas consisten en un octámero de histonas rodeado por 146 pares de bases de ADN envueltos de manera superhelicoidal . ^[10] Además de compactar el ADN, el octámero de histonas juega un papel clave en la transcripción del ADN que lo rodea. El octámero de histonas interactúa con el ADN a través de sus pliegues de histonas centrales y colas N-terminales. El pliegue de histonas interactúa química y físicamente con el surco menor del ADN . Los estudios han encontrado que las histonas interactúan más favorablemente con las regiones enriquecidas en A : T que con las regiones enriquecidas en G : C en los surcos menores. ^[6] Las colas N-terminales no interactúan con una región específica del ADN, sino que estabilizan y guían el ADN envuelto alrededor del octámero. Sin embargo, las interacciones entre el octámero de histonas y el ADN no son permanentes. Los dos se pueden separar con bastante facilidad y, a menudo, lo son durante la replicación y la transcripción . Proteínas de remodelación específicas alteran constantemente la estructura de la cromatina rompiendo los enlaces entre el ADN y el nucleosoma.

Las histonas están compuestas principalmente por residuos de aminoácidos con carga positiva, como la lisina y la arginina . Las cargas positivas les permiten asociarse estrechamente con el ADN con carga negativa a través de interacciones electrostáticas. La neutralización de las cargas en el ADN permite que este se compacte más estrechamente. ^[6]

La interacción de los dominios del pliegue de histona con el surco menor explica la mayoría de las interacciones en el nucleosoma. ^[11] A medida que el ADN se envuelve alrededor del octámero de histona, expone su surco menor al octámero de histona en 14 ubicaciones distintas. En estos sitios, los dos interactúan a través de una serie de enlaces débiles, no covalentes. La principal fuente de enlaces proviene de enlaces de hidrógeno, tanto directos como mediados por agua. ^[10] Los enlaces de hidrógeno del pliegue de histona con la cadena principal de fosfodiéster y las bases ricas en A:T. En estas interacciones, el pliegue de histona se une a los átomos de oxígeno y las cadenas laterales de hidroxilo , respectivamente. ^[11] Juntos, estos sitios tienen un total de aproximadamente 40 enlaces de hidrógeno, la mayoría de los cuales son de las interacciones de la cadena principal. ^[6] Además, 10 de las 14 veces que el surco menor se enfrenta al pliegue de histona, una cadena lateral de arginina del pliegue de histona se inserta en el surco menor. Las otras cuatro veces, la arginina proviene de una región de la cola de la histona. ^[11]

Como se mencionó anteriormente, se ha demostrado que las colas de histonas interactúan directamente con el ADN del nucleosoma. Cada histona en el octámero tiene una cola N-terminal que sobresale del núcleo de la histona. Las colas desempeñan funciones tanto en interacciones inter como intranucleosomales que, en última instancia, influyen en el acceso a los genes. ^[12] Las histonas son moléculas con carga positiva que permiten una unión más estrecha con la molécula de ADN con carga negativa. La reducción de la carga positiva de las proteínas histonas reduce la fuerza de unión entre la histona y el ADN, lo que lo hace más abierto a la transcripción (expresión) genética. ^[12] Además, estas unidades flexibles dirigen la envoltura del ADN de manera levógira alrededor del octámero de histonas durante la formación del nucleosoma. ^[6] Una vez que el ADN está unido, las colas continúan interactuando con el ADN. Las partes de la cola más cercanas al ADN se unen mediante enlaces de hidrógeno y fortalecen la asociación del ADN con el octámero; sin embargo, las partes de la cola más alejadas del ADN funcionan de una manera muy diferente. Las enzimas celulares modifican los aminoácidos en las secciones distales de la cola para influir en la accesibilidad del ADN. Las colas también han sido implicadas en la estabilización de las fibras de 30 nm. La investigación ha demostrado que la eliminación de ciertas colas impide que los nucleosomas se formen correctamente y que se produzca una falla general en la producción de fibra de cromatina. ^[12] En total, estas asociaciones protegen el ADN nucleosómico del entorno externo, pero también reducen su accesibilidad a la replicación celular y a la maquinaria transcripcional.

Para acceder al ADN nucleosómico, es necesario romper los enlaces entre este y el octámero de histonas. Este cambio se produce periódicamente en la célula a medida que se transcriben regiones específicas y sucede en todo el genoma durante la replicación. Las proteínas de remodelación funcionan de tres formas distintas: pueden deslizar el ADN a lo largo de la superficie del octámero, reemplazar el dímero de histonas por una variante o eliminar el octámero de histonas por completo. Independientemente del método, para modificar los nucleosomas, los complejos de remodelación requieren energía de la hidrólisis del ATP para impulsar sus acciones.

De las tres técnicas, el deslizamiento es la más común y la menos extrema. ^[13] La premisa básica de la técnica es liberar una región de ADN a la que el octámero de histonas normalmente se uniría firmemente. Si bien la técnica no está bien definida, la hipótesis más destacada es que el deslizamiento se realiza a modo de “gusano medidor”. En este método, utilizando ATP como fuente de energía, el dominio de translocasa del complejo de remodelación de nucleosomas separa una pequeña región de ADN del octámero de histonas. Esta “ola” de ADN, que rompe y rehace espontáneamente los enlaces de hidrógeno a medida que avanza, se propaga a través del ADN nucleosómico hasta que alcanza el último sitio de unión con el octámero de histonas. Una vez que la onda llega al final del octámero de histonas, el exceso que alguna vez estaba en el borde se extiende hacia la región del ADN de enlace. En total, una ronda de este método mueve el octámero de histonas varios pares de bases en una dirección particular, alejándose de la dirección en la que se propagó la “onda”. ^{[6] [14]}

Numerosos informes muestran un vínculo entre enfermedades relacionadas con la edad, defectos de nacimiento y varios tipos de cáncer con la interrupción de ciertas modificaciones postraduccionales de histonas. Los estudios han identificado que las colas N- y C-terminales son los principales objetivos de la acetilación, metilación, ubiquitinación y fosforilación. ^[15] Nueva evidencia apunta a varias modificaciones dentro del núcleo de la histona. La investigación se está orientando hacia descifrar el papel de estas modificaciones del núcleo de la histona en la interfaz histona-ADN en la cromatina. p300 y la proteína de unión al elemento de respuesta al AMPc ( CBP ) poseen actividad de acetiltransferasa de histonas . p300 y CBP son las enzimas de acetiltransferasa de histonas más promiscuas que acetilan las cuatro histonas centrales en múltiples residuos. ^[16] La lisina 18 y la lisina 27 en H3 fueron los únicos sitios de acetilación de histonas reducidos tras el agotamiento de CBP y p300 en fibroblastos embrionarios de ratón. ^[17] Además, los ratones knock out de CBP y p300 tienen un defecto del tubo neural abierto y por lo tanto mueren antes de nacer. Los embriones p300−/− presentan un desarrollo defectuoso del corazón. Los ratones CBP+/− presentan retraso del crecimiento, anomalías craneofaciales, neoplasias hematológicas, que no se observan en ratones con p300+/−. ^[18] Se han informado mutaciones de ambos p300 en tumores humanos como carcinomas colorrectales, gástricos, de mama, de ovario, de pulmón y de páncreas. Además, la activación o localización de dos acetiltransferasas de histonas puede ser oncogénica.

• Nucleosoma
• Histona
• Cromatina

• HistoneDB 2.0 - Base de datos de histonas y variantes en NCBI