H3K4me3
Metilación de histonas en la cola de la histona H3

H3K4me3 es una modificación epigenética de la proteína de empaquetamiento de ADN Histona H3 que indica trimetilación en el cuarto residuo de lisina de la proteína histona H3 y a menudo está involucrada en la regulación de la expresión genética . [1] El nombre denota la adición de tres grupos metilo ( trimetilación ) a la lisina 4 en la proteína histona H3 .

La H3 se utiliza para empaquetar el ADN en las células eucariotas (incluidas las células humanas), y las modificaciones de la histona alteran la accesibilidad de los genes para la transcripción. La H3K4me3 se asocia comúnmente con la activación de la transcripción de genes cercanos. La trimetilación de la H3K4 regula la expresión génica a través de la remodelación de la cromatina por el complejo NURF . [2] Esto hace que el ADN en la cromatina sea más accesible para los factores de transcripción , lo que permite que los genes se transcriban y se expresen en la célula. Más específicamente, se ha descubierto que la H3K4me3 regula positivamente la transcripción al incorporar acetilasas de histonas y enzimas de remodelación de nucleosomas (NURF). [3] La H3K4me3 también desempeña un papel importante en la regulación genética de la potencia y el linaje de las células madre . [4] Esto se debe a que esta modificación de la histona se encuentra más en áreas del ADN que están asociadas con el desarrollo y el establecimiento de la identidad celular. [5]

Nomenclatura

H3K4me3 indica trimetilación de la lisina 4 en la subunidad de la proteína histona H3:

Abr.Significado
H3Familia de histonas H3
KAbreviatura estándar de lisina
4posición del residuo de aminoácido

(contando desde el extremo N )

a mígrupo metilo
3Número de grupos metilo añadidos

Metilación de lisina

Metilación-lisina

Este diagrama muestra la metilación progresiva de un residuo de lisina. La trimetilación (derecha) indica la metilación presente en H3K4me3.

La modificación H3K4me3 es creada por una metiltransferasa de histonas específica de lisina (HMT) que transfiere tres grupos metilo a la histona H3. [6] La H3K4me3 es metilada por complejos de metiltransferasa que contienen una proteína WDR5 , que contiene el motivo de proteína de repetición WD40 . [7] La ​​WDR5 se asocia específicamente con la H3K4 dimetilada y permite una mayor metilación por parte de las metiltransferasas, lo que permite la creación y lectura de la modificación H3K4me3. [8] Se ha demostrado que la actividad de WDR5 es necesaria para los genes del desarrollo, como los genes Hox , que están regulados por la metilación de las histonas. [7]

Marcador epigenético

H3K4me3 es una modificación de histona de uso común. H3K4me3 es una de las modificaciones de histona menos abundantes; sin embargo, está altamente enriquecida en promotores activos cerca de los sitios de inicio de la transcripción (TSS) [9] y se correlaciona positivamente con la transcripción. H3K4me3 se utiliza como un código de histona o marca de histona en estudios epigenéticos (generalmente identificados a través de inmunoprecipitación de cromatina ) para identificar promotores de genes activos .

H3K4me3 promueve la activación genética a través de la acción del complejo NURF, un complejo proteico que actúa a través del motivo proteico de dedo PHD para remodelar la cromatina. [2] Esto hace que el ADN en la cromatina sea accesible para los factores de transcripción , lo que permite que los genes se transcriban y se expresen en la célula.

Comprender las modificaciones de las histonas

El ADN genómico de las células eucariotas está envuelto alrededor de moléculas proteicas especiales conocidas como histonas . Los complejos formados por el enroscamiento del ADN se conocen como cromatina . La unidad estructural básica de la cromatina es el nucleosoma : éste consiste en el octámero central de histonas (H2A, H2B, H3 y H4), así como una histona de enlace y alrededor de 180 pares de bases de ADN. Estas histonas centrales son ricas en residuos de lisina y arginina. El extremo carboxilo (C) terminal de estas histonas contribuye a las interacciones histona-histona, así como a las interacciones histona-ADN. Las colas cargadas del extremo amino (N) terminal son el sitio de las modificaciones postraduccionales, como la observada en H3K4me1. [10] [11]

Papel en las células madre y la embriogénesis

La regulación de la expresión génica a través de H3K4me3 desempeña un papel importante en la determinación del destino de las células madre y el desarrollo embrionario temprano. Las células pluripotentes tienen patrones distintivos de metilación que se pueden identificar a través de ChIP-seq . Esto es importante en el desarrollo de células madre pluripotentes inducidas . Una forma de encontrar indicadores de una inducción pluripotente exitosa es mediante la comparación del patrón epigenético con el de las células madre embrionarias . [12]

En la cromatina bivalente , H3K4me3 se co-localiza con la modificación represiva H3K27me3 para controlar la regulación génica. [13] H3K4me3 en células embrionarias es parte de un sistema de cromatina bivalente, en el que las regiones de ADN están marcadas simultáneamente con metilaciones de histonas activadoras y represoras. [13] Se cree que esto permite un sistema flexible de expresión génica, en el que los genes se reprimen principalmente, pero pueden expresarse rápidamente debido a H3K4me3 a medida que la célula progresa a través del desarrollo. [4] Estas regiones tienden a coincidir con genes de factores de transcripción expresados ​​en niveles bajos. [4] Algunos de estos factores, como los genes Hox , son esenciales para controlar el desarrollo y la diferenciación celular durante la embriogénesis . [2] [4]

Reparación del ADN

H3K4me3 está presente en los sitios de rotura de doble cadena de ADN donde promueve la reparación por la vía de unión de extremos no homólogos . [14] Se ha implicado que la unión de H3K4me3 es necesaria para la función de genes como el inhibidor de la proteína de crecimiento 1 (ING1) , que actúa como supresor de tumores y activa mecanismos de reparación del ADN. [15]

Cuando se produce un daño en el ADN, la señalización y la reparación del daño en el ADN comienzan como resultado de la modificación de las histonas dentro de la cromatina. Desde el punto de vista mecanístico, la desmetilación de H3K4me3 es necesaria para la unión y el reclutamiento de proteínas específicas en el ADN dañado [16].

Implicaciones epigenéticas

La modificación postraduccional de las colas de histonas, ya sea por complejos modificadores de histonas o complejos remodeladores de cromatina, es interpretada por la célula y conduce a un resultado transcripcional combinatorio complejo. Se cree que un código de histonas dicta la expresión de genes mediante una interacción compleja entre las histonas en una región particular. [17] La ​​comprensión e interpretación actuales de las histonas proviene de dos proyectos a gran escala: ENCODE y Epigenomic roadmap. [18] El propósito del estudio epigenómico fue investigar los cambios epigenéticos en todo el genoma. Esto condujo a estados de cromatina que definen regiones genómicas agrupando las interacciones de diferentes proteínas y/o modificaciones de histonas. Los estados de cromatina se investigaron en células de Drosophila observando la ubicación de unión de las proteínas en el genoma. El uso de la secuenciación ChIP reveló regiones en el genoma caracterizadas por diferentes bandas. [19] También se perfilaron diferentes etapas de desarrollo en Drosophila, y se hizo hincapié en la relevancia de la modificación de histonas. [20] Una mirada a los datos obtenidos condujo a la definición de estados de cromatina basados ​​en modificaciones de histonas. [21] Se mapearon ciertas modificaciones y se observó que el enriquecimiento se localizaba en ciertas regiones genómicas. Se encontraron cinco modificaciones de histonas centrales, cada una de las cuales estaba vinculada a varias funciones celulares.

El genoma humano fue anotado con estados de cromatina. Estos estados anotados pueden usarse como nuevas formas de anotar un genoma independientemente de la secuencia genómica subyacente. Esta independencia de la secuencia de ADN refuerza la naturaleza epigenética de las modificaciones de las histonas. Los estados de cromatina también son útiles para identificar elementos reguladores que no tienen una secuencia definida, como los potenciadores . Este nivel adicional de anotación permite una comprensión más profunda de la regulación génica específica de la célula. [22]

Métodos

La marca de histona H3K4me3 se puede detectar de diversas maneras:

1. La secuenciación por inmunoprecipitación de cromatina ( ChIP-sequencing ) mide la cantidad de enriquecimiento de ADN una vez que se une a una proteína específica y se inmunoprecipita . Produce una buena optimización y se utiliza in vivo para revelar la unión de ADN y proteína que ocurre en las células. ChIP-Seq se puede utilizar para identificar y cuantificar varios fragmentos de ADN para diferentes modificaciones de histonas a lo largo de una región genómica. [23]

2. La secuenciación de nucleasas microcócicas ( MNase-seq ) se utiliza para investigar las regiones que están unidas por nucleosomas bien posicionados. El uso de la enzima nucleasa microcócica se emplea para identificar la posición de los nucleosomas. Se observa que los nucleosomas bien posicionados tienen un enriquecimiento de secuencias. [24]

3. El ensayo de secuenciación de cromatina accesible a la transposasa ( ATAC-seq ) se utiliza para buscar regiones que no tienen nucleosomas (cromatina abierta). Utiliza el transposón Tn5 hiperactivo para resaltar la localización del nucleosoma. [25] [26] [27]

Véase también

Referencias

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