Las enzimas modificadoras de histonas son enzimas involucradas en la modificación de sustratos de histonas después de la traducción de proteínas y afectan los procesos celulares, incluida la expresión génica . [1] [2] Para almacenar de forma segura el genoma eucariota , el ADN se envuelve alrededor de cuatro proteínas histonas centrales (H3, H4, H2A, H2B), que luego se unen para formar nucleosomas . Estos nucleosomas se pliegan aún más para formar cromatina altamente condensada , lo que hace que el material genético del organismo sea mucho menos accesible a los factores necesarios para la transcripción génica , la replicación , la recombinación y la reparación del ADN . [3] [4] Posteriormente, los organismos eucariotas han desarrollado mecanismos intrincados para superar esta barrera represiva impuesta por la cromatina a través de la modificación de histonas , un tipo de modificación postraduccional que generalmente implica unir covalentemente ciertos grupos a residuos de histonas. Una vez añadidos a la histona, estos grupos (directa o indirectamente) provocan una conformación de histona suelta y abierta, eucromatina , o una conformación de histona apretada y cerrada, heterocromatina . La eucromatina marca la transcripción activa y la expresión génica , ya que el empaquetamiento ligero de las histonas de esta manera permite la entrada de proteínas involucradas en el proceso de transcripción. Como tal, la heterocromatina apretada marca la ausencia de expresión génica actual. [4]
Si bien existen varias modificaciones postraduccionales distintas para las histonas , las cuatro modificaciones de histonas más comunes incluyen acetilación , [5] metilación , [6] fosforilación [7] y ubiquitinación . [8] Las enzimas modificadoras de histonas que inducen una modificación (por ejemplo, agregan un grupo funcional ) se denominan escritoras, mientras que las enzimas que revierten las modificaciones se denominan borradores. Además, hay muchas modificaciones de histonas poco comunes que incluyen O -GlcNAcilación , [9] sumoilación , [10] ADP-ribosilación , [11] citrulinación [12] [13] [14] e isomerización de prolina . [15] Para un ejemplo detallado de modificaciones de histonas en la regulación de la transcripción, consulte el control de la ARN polimerasa por la estructura de la cromatina y la tabla " Ejemplos de modificaciones de histonas en la regulación transcripcional ".
Las cuatro modificaciones de histonas comunes y sus respectivas enzimas escritoras y borradoras se muestran en la siguiente tabla. [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26]
Modificación | Escritor(es) | Borrador(es) | Efecto sobre el ADN |
---|---|---|---|
Acetilación | Acetiltransferasas de histonas (HAT) | Histonas desacetilasas (HDAC) | Aumenta la transcripción genética. |
Metilación | Metiltransferasas de histonas (HMT) | Desmetilasas de histonas (KDM) | Aumenta o disminuye la transcripción genética. |
Fosforilación | Proteínas quinasas (PTK) | Proteínas fosfatasas (PP) | Aumenta la transcripción genética y desempeña un papel en la reparación del ADN y la división celular. |
Ubiquitinación | Ligasas de ubiquitina | Enzimas desubiquitinantes (DUB) | Aumenta o disminuye la transcripción genética y desempeña un papel en la reparación del ADN. |
La acetilación de histonas , o la adición de un grupo acetilo a las histonas, es facilitada por las acetiltransferasas de histonas (HAT), que se dirigen a los residuos de lisina (K) en la cola N-terminal de la histona. Las desacetilasas de histonas (HDAC) facilitan la eliminación de dichos grupos. La carga positiva de una histona siempre se neutraliza tras la acetilación, lo que crea eucromatina que aumenta la transcripción y la expresión del gen diana. [16] Los residuos de lisina 9, 14, 18 y 23 de la histona central H3 y los residuos 5, 8, 12 y 16 de H4 son todos ellos el objetivo de la acetilación. [17] [18]
La metilación de histonas implica la adición de grupos metilo a las histonas, principalmente en los residuos de lisina (K) o arginina (R) . La adición y eliminación de grupos metilo se lleva a cabo por las metiltransferasas de histonas (HMT) y las desmetilasas de histonas (KDM), respectivamente. La metilación de histonas es responsable de la activación o represión de genes, dependiendo del sitio diana, y desempeña un papel importante en el desarrollo y el aprendizaje. [19]
La fosforilación de histonas ocurre cuando se añade un grupo fosforilo a una histona . Las proteínas quinasas (PTK) catalizan la fosforilación de histonas y las proteínas fosfatasas (PP) catalizan la desfosforilación de histonas. Al igual que la acetilación de histonas, la fosforilación de histonas neutraliza la carga positiva de las histonas, lo que induce la eucromatina y aumenta la expresión génica. [ cita requerida ] La fosforilación de histonas ocurre en los residuos de aminoácidos serina (S) , treonina (T) y tirosina (Y), principalmente en las colas N-terminales de las histonas. [27]
Además, se ha descubierto que la fosforilación de histonas desempeña un papel en la reparación del ADN y la condensación de la cromatina durante la división celular . [22] Un ejemplo de ello es la fosforilación de S139 en las histonas H2AX , que es necesaria para reparar roturas de doble cadena en el ADN. [22]
La ubiquitinación es una modificación postraduccional que implica la adición de proteínas ubiquitinas a las proteínas diana. Las histonas suelen ubiquitinarse con una molécula de ubiquitina (monoubiquitinación), pero también pueden modificarse con cadenas de ubiquitina (poliubiquitinación), y ambas pueden tener efectos variables en la transcripción génica. [23] Las ligasas de ubiquitina añaden estas proteínas ubiquitinas mientras que las enzimas desubiquitinantes (DUB) eliminan estos grupos. [24] La ubiquitinación de la histona central H2A normalmente reprime la expresión génica, ya que impide la metilación en H3K4, mientras que la ubiquitinación de H2B es necesaria para la metilación de H3K4 y puede conducir tanto a la activación como a la represión génica. [ cita requerida ] Además, la ubiquitinación de histonas está relacionada con el mantenimiento genómico, ya que la ubiquitinación de la histona H2AX está implicada en el reconocimiento del daño del ADN por roturas de doble cadena del ADN . [26]
En la siguiente tabla se enumeran otras modificaciones poco frecuentes de las histonas y sus efectos. [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [ 37 ] [38] [39] [40] [41]
Modificación | Escritor(es) | Borrador(es) | Efecto sobre el ADN |
---|---|---|---|
O-GlcNAcilación | Transferasa O-GlcNAc (OGT) | O-GlcNAcase (OGA) | Aumenta o disminuye la transcripción mediante la mediación de modificaciones adicionales de histonas. |
Sumoilación | Ligasas E3 SUMO | Proteasas específicas de SUMO | Aumenta o disminuye la transcripción y desempeña un papel en la reparación del ADN. |
ADP-ribosilación | Poli-ADP ribosa polimerasa 1 (PARP-1) | (Adp-ribosil)hidrolasas ARH1 y ARH3 | Disminuye la transcripción al marcar sitios específicos de ADN para su reparación. |
Citrulinación | Proteína arginina deiminasa 4 (PAD4) | No se conoce ningún borrador | Disminuye la transcripción al eliminar los sitios de metilación. |
Isomerización de prolina | Fpr4 | Fpr4 | Aumenta o disminuye la transcripción mediante el cambio entre los isómeros H3P38 (trans y cis respectivamente) |
Se sabe que la presencia de O-GlcNAcilación (O-GlcNAc) en los residuos de histonas serina (S) y treonina (T) media otras modificaciones postranscripcionales de las histonas. La adición y eliminación de grupos GlcNAc se realizan por la O-GlcNAc transferasa (OGT) y la O-GlcNAcase (OGA) respectivamente. Si bien nuestro conocimiento de estos procesos es limitado, se ha descubierto que la GlcNAcilación de S112 en la histona central H2B promueve la monoubiquitinación de K120. [28] De manera similar, la OGT se asocia con el complejo HCF1 que interactúa con BAP1 para mediar la desubiquitinación de H2A. La OGT también está involucrada en la trimetilación de H3K27 y crea un complejo correpresor para promover la desacetilación de histonas al unirse a SIN3A . [29]
La sumoilación se refiere a la adición de proteínas pequeñas modificadoras similares a la ubiquitina (SUMO) a las histonas. La sumoilación implica uniones covalentes entre las proteínas SUMO y los residuos de lisina (K) en las histonas y se lleva a cabo en tres pasos principales por tres enzimas respectivas: activación a través de SUMO E1, conjugación a través de SUMO E2 y ligadura a través de SUMO E3. En humanos, SUMO E1 se ha identificado como el heterodímero SAE1 / SAE2 , SUMO E2 se conoce como UBE2I y el papel de SUMO E3 puede ser un complejo multiproteico desempeñado por un puñado de enzimas diferentes. [30]
La sumoilación afecta el estado de la cromatina (flojedad) de la histona e influye en el ensamblaje de factores de transcripción en promotores genéticos, lo que lleva a la represión o activación transcripcional dependiendo del sustrato. [31] La sumoilación también desempeña un papel en las principales vías de reparación del ADN de reparación por escisión de bases , reparación por escisión de nucleótidos , unión de extremos no homólogos y reparación por recombinación homóloga . Además, la sumoilación facilita la síntesis de translesiones propensa a errores . [32]
La ADP-ribosilación (ADPr) define la adición de uno o más grupos de adenosina difosfato ribosa (ADP-ribosa) a una proteína . [33] La ADPr es un mecanismo importante en la regulación génica que afecta la organización de la cromatina, la unión de factores de transcripción y el procesamiento del ARNm a través de las enzimas poli-ADP ribosa polimerasa (PARP) . Existen múltiples tipos de proteínas PARP, pero la subclase de proteínas PARP dependientes del ADN que incluyen PARP-1, PARP-2 y PARP-3 interactúan con la histona. [34] La enzima PARP-1 es la más destacada de estas tres proteínas en el contexto de la regulación génica e interactúa con las cinco proteínas histonas. [35]
Al igual que las PARP 2 y 3, la actividad catalítica de PARP-1 es activada por fragmentos de ADN discontinuos , fragmentos de ADN con roturas monocatenarias . PARP-1 se une a las histonas cerca del eje donde el ADN entra y sale del nucleosoma y, además, interactúa con numerosas proteínas asociadas a la cromatina que permiten la asociación indirecta con la cromatina. [34] Al unirse a la cromatina, PARP-1 produce marcas histónicas represivas que pueden alterar el estado conformacional de las histonas e inhibir la expresión génica para que pueda tener lugar la reparación del ADN . Otras vías de regulación de la transcripción por PARP-1 incluyen actuar como corregulador de la transcripción , la regulación del ARN y la modulación de la metilación del ADN mediante la inhibición de la ADN metiltransferasa Dnmt1 . [34] [36]
La citrulinación , o deiminación, es el proceso por el cual el aminoácido arginina (R) se convierte en citrulina . Las proteínas arginina deiminasas (PAD) reemplazan el grupo cetimina de la arginina con un grupo cetona para formar la citrulina. [42] PAD4 es la desaminasa involucrada en la modificación de histonas y convierte la arginina en citrulina en las histonas H3 y H4; debido a que la metilación de la arginina en estas histonas es importante para la activación transcripcional, la citrulinación de ciertos residuos puede causar la eventual pérdida de metilación, lo que lleva a una disminución de la transcripción genética; [37] Se ha identificado la citrulinación específica de los residuos H3R2, H3R8, H3R17 y H3R26 en células de cáncer de mama. [38] A partir de la investigación realizada en 2019, se cree que este proceso es irreversible. [39]
La isomerización implica la transformación de una molécula para que adopte una conformación estructural diferente; la isomerización de prolina juega un papel integral en la modificación de las colas de las histonas. [40] Fpr4 es la enzima prolil isomerasa (PPIasa) que convierte el aminoácido prolina (P) en las histonas entre las conformaciones cis y trans . Si bien Fpr4 tiene actividad catalítica en varias prolinas en la región N-terminal de la histona central H3 (P16, P30 y P38), se une más fácilmente a P38. [41]
La H3P38 se encuentra cerca del residuo de lisina (K) H3K36, y los cambios en P38 pueden afectar el estado de metilación de K36. Los dos posibles isómeros de P38 disponibles, cis y trans, causan efectos diferenciales que son opuestos entre sí. La posición cis induce histonas compactas y disminuye la capacidad de las proteínas para unirse al ADN, lo que evita la metilación de K36 y disminuye la transcripción génica. Por el contrario, la posición trans de P38 promueve una conformación de histonas más abierta, lo que permite la metilación de K36 y conduce a un aumento de la transcripción génica. [40]
Las alteraciones en las funciones de las enzimas modificadoras de histonas desregulan el control de los procesos basados en la cromatina, lo que en última instancia conduce a la transformación oncogénica y al cáncer . [43] Tanto la metilación del ADN como las modificaciones de las histonas muestran patrones de distribución en las células cancerosas. [44] [45] Estas alteraciones epigenéticas pueden ocurrir en diferentes etapas de la tumorigénesis y, por lo tanto, contribuir tanto al desarrollo como a la progresión del cáncer. [45]
Se ha demostrado que la deficiencia de vitamina B12 en ratones altera la expresión de enzimas modificadoras de histonas en el cerebro, lo que conduce a cambios de comportamiento y reprogramación epigenética . [46] Las evidencias también muestran la importancia de las HDAC en la regulación del metabolismo de los lípidos y otras vías metabólicas que desempeñan un papel en la fisiopatología de los trastornos metabólicos. [47]