Modificación epigenética de la proteína histona H3
H3K27me3 es una modificación epigenética de la proteína de empaquetamiento del ADN histona H3 . Es una marca que indica la trimetilación de la lisina 27 en la proteína histona H3.
H3K27me3 indica trimetilación de la lisina 27 en la subunidad de la proteína histona H3:
Metilación de lisina
Este diagrama muestra la metilación progresiva de un residuo de lisina. La trimetilación (derecha) indica la metilación presente en H3K27me3.
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 amino (N) terminales son el sitio de las modificaciones postraduccionales , como la observada en H3K27me3. [2] [3]
Mecanismo y función de la modificación
La colocación de una marca represiva en la lisina 27 requiere el reclutamiento de reguladores de la cromatina por factores de transcripción . Estos modificadores son complejos de modificación de histonas que modifican covalentemente las histonas para moverse alrededor de los nucleosomas y abrir la cromatina, o complejos de remodelación de la cromatina que implican el movimiento de los nucleosomas sin modificarlos directamente. [4] Estas marcas de histonas pueden servir como sitios de acoplamiento de otros coactivadores como se ve con H3K27me3. Esto ocurre a través del silenciamiento génico mediado por polycomb a través de la metilación de histonas e interacciones cromodominio. Un complejo represor polycomb (PRC); PRC2 , media la trimetilación de la histona 3 en la lisina 27 a través de la actividad de la histona metil transferasa. [5] Esta marca puede reclutar PRC1 que se unirá y contribuirá a la compactación de la cromatina. [6]
La H3K27 puede sufrir otras modificaciones. Puede existir en estados mono y dimetilados. Las funciones de estas modificaciones respectivas no están tan bien caracterizadas como las de la trimetilación. Sin embargo, se cree que PRC2 está implicada en todas las diferentes metilaciones asociadas con la H3K27me.
La H3K27me1 está vinculada a la promoción de la transcripción y se observa que se acumula en los genes transcritos. Las interacciones entre histonas desempeñan un papel en este proceso. La regulación se produce a través de la deposición de H3K36me3 dependiente de Setd2 . [9]
La H3K27me2 se distribuye ampliamente dentro de la histona central H3 y se cree que desempeña un papel protector al inhibir potenciadores no específicos de un tipo celular. En última instancia, esto conduce a la inactivación de la transcripción. [10]
La acetilación suele estar relacionada con la regulación positiva de los genes. Este es el caso de H3K27ac , que es una marca potenciadora activa. Se encuentra en las regiones distal y proximal de los genes. Está enriquecida en los sitios de inicio de la transcripción (TSS). H3K27ac comparte una ubicación con H3K27me3 e interactúan de manera antagónica.
A menudo se observa que H3K27me3 interactúa con H3K4me3 en dominios bivalentes. [11] Estos dominios se encuentran generalmente en células madre embrionarias y son fundamentales para la diferenciación celular adecuada. H3K27me3 y H3K4me3 determinan si una célula permanecerá sin especificar o eventualmente se diferenciará. [12] [13] El gen Grb10 en ratones hace uso de estos dominios bivalentes. Grb10 muestra expresión génica impresa. Los genes se expresan a partir de un alelo parental mientras que simultáneamente se silencian en el otro alelo parental. [14] La desmetilación de H3K27me3 puede conducir a la regulación positiva de los genes que controlan el fenotipo secretor asociado a la senescencia (SASP). [7]
Otras modificaciones bien caracterizadas son H3K9me3 y H4K20me3 que, al igual que H3K27me3, están vinculadas a la represión transcripcional a través de la formación de regiones heterocromáticas. Las monometilaciones de H3K27, H3K9 y H4K20 están todas asociadas con la activación génica. [15]
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. [16] La comprensión e interpretación actuales de las histonas proviene de dos proyectos a gran escala: ENCODE y Epigenomic roadmap. [17] 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. [18] También se perfilaron diferentes etapas de desarrollo en Drosophila, y se hizo hincapié en la relevancia de la modificación de histonas. [19] Una mirada a los datos obtenidos condujo a la definición de estados de cromatina basados en modificaciones de histonas. [20] Se mapearon ciertas modificaciones y se observó que el enriquecimiento se localizaba en ciertas regiones genómicas. Se encontraron cinco modificaciones de histonas centrales y cada una de ellas 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. [21]
Se cree que H3K27me3 está implicado en algunas enfermedades debido a su regulación como marca represiva.
Síndrome de Cohen-Gibson
El síndrome de Cohen-Gibson es un trastorno asociado al sobrecrecimiento y se caracteriza por rasgos faciales dismórficos y discapacidad intelectual variable. En algunos casos, una mutación sin sentido de novo en EED se asoció con niveles reducidos de H3K27me3 en comparación con el tipo salvaje . Esta disminución se relacionó con la pérdida de la actividad de PRC2. [23]
Glioma difuso de línea media
Comparación inmunohistoquímica de DMG con sobreexpresión de EHZIP (arriba) con DMG con mutación H3K27M (abajo). La pérdida de M3K27me3 (izquierda) es visible en ambas muestras, mientras que H3K27M (centro) y EZHIP (derecha) solo se tiñen en una de las muestras, respectivamente.
El glioma difuso de la línea media, H3K27me3 alterado (DMG), también conocido como glioma pontino intrínseco difuso (DIPG), es un tipo de tumor cerebral altamente agresivo que se encuentra principalmente en niños. Todos los DMG presentan pérdida de H3K27me3, en aproximadamente el 80 % de los casos debido a una mutación genética que reubica la lisina con metionina (M), conocida como H3K27M. En formas raras, la pérdida de H3Kme3 está mediada por la sobreexpresión de la proteína inhibidora de EZH, lo que disminuye la actividad de PRC2. [24]
Trastornos del espectro
Hay evidencia que implica que la regulación negativa de la expresión de H3K27me3 junto con la expresión diferencial de H3K4me3 y la metilación del ADN pueden desempeñar un papel en el trastorno del espectro alcohólico fetal (TEAF) en ratones C57BL/6J. Se cree que este código de histonas afecta la vía asociada a los peroxisomas e induce la pérdida de los peroxisomas para mejorar el estrés oxidativo. [25]
Métodos
La marca de histona H3K27me3 se puede detectar de diversas maneras:
1. La secuenciación por inmunoprecipitación de cromatina ( ChIP ) 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 se produce 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. [26]
2. La secuenciación de la nucleasa microcócica (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. [27]
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. [28] [29] [30]
^ Ferrari KJ, Scelfo A, Jammula S, Cuomo A, Barozzi I, Stützer A, Fischle W, Bonaldi T, Pasini D (enero de 2014). "H3K27me1 y H3K27me2 dependientes de Polycomb regulan la transcripción activa y la fidelidad del potenciador". Molecular Cell . 53 (1): 49–62. doi : 10.1016/j.molcel.2013.10.030 . hdl : 11858/00-001M-0000-0015-367D-4 . PMID 24289921.
^ Ruthenburg AJ, Li H, Patel DJ, Allis CD (diciembre de 2007). "Compromiso multivalente de las modificaciones de la cromatina mediante módulos de unión enlazados". Nature Reviews Molecular Cell Biology . 8 (12): 983–94. doi :10.1038/nrm2298. PMC 4690530 . PMID 18037899.
^ Kouzarides T (febrero de 2007). "Modificaciones de la cromatina y su función". Cell . 128 (4): 693–705. doi : 10.1016/j.cell.2007.02.005 . PMID 17320507.
^ Strahl BD, Allis CD (enero de 2000). "El lenguaje de las modificaciones covalentes de las histonas". Nature . 403 (6765): 41–5. Bibcode :2000Natur.403...41S. doi :10.1038/47412. PMID 10638745. S2CID 4418993.
^ Ku M, Koche RP, Rheinbay E, Mendenhall EM, Endoh M, Mikkelsen TS, Presser A, Nusbaum C, Xie X, Chi AS, Adli M, Kasif S, Ptaszek LM, Cowan CA, Lander ES, Koseki H, Bernstein BE (octubre de 2008). "El análisis de todo el genoma de la ocupación de PRC1 y PRC2 identifica dos clases de dominios bivalentes". PLOS Genetics . 4 (10): e1000242. doi : 10.1371/journal.pgen.1000242 . PMC 2567431 . PMID 18974828.
^ Sanz LA, Chamberlain S, Sabourin JC, Henckel A, Magnuson T, Hugnot JP, Feil R, Arnaud P (octubre de 2008). "Un dominio de cromatina bivalente monoalélico controla la impresión específica de tejido en Grb10". La Revista EMBO . 27 (19): 2523–32. doi :10.1038/emboj.2008.142. PMC 2567399 . PMID 18650936.
^ ab Booth LN, Brunet A (2016). "El epigenoma del envejecimiento". Molecular Cell . 62 (5): 728–744. doi :10.1016/j.molcel.2016.05.013. PMC 4917370 . PMID 27259204.
^ Wei S, Li C, Yin Z, Wen J, Meng H, Xue L, Wang J (2018). "Metilación de histonas en la reparación del ADN y la práctica clínica: nuevos hallazgos durante los últimos 5 años". J Cancer . 9 (12): 2072–2081. doi :10.7150/jca.23427. PMC 6010677 . PMID 29937925.
^ Edmunds JW, Mahadevan LC, Clayton AL (enero de 2008). "Metilación dinámica de la histona H3 durante la inducción génica: HYPB/Setd2 media toda la trimetilación de H3K36". The EMBO Journal . 27 (2): 406–20. doi :10.1038/sj.emboj.7601967. PMC 2168397 . PMID 18157086.
^ Jones, Peter A.; Archer, Trevor K.; Baylin, Stephen B.; Beck, Stephan; Berger, Shelley; Bernstein, Bradley E.; Carpten, John D.; Clark, Susan J.; Costello, Joseph F.; Doerge, Rebecca W.; Esteller, Manel; Feinberg, Andrew P.; Gingeras, Thomas R.; Greally, John M.; Henikoff, Steven; Herman, James G.; Jackson-Grusby, Laurie; Jenuwein, Thomas; Jirtle, Randy L.; Kim, Young-Joon; Laird, Peter W.; Lim, Bing; Martienssen, Robert; Polyak, Kornelia; Stunnenberg, Henk; Tlsty, Thea Dorothy; Tycko, Benjamin; Ushijima, Toshikazu; Zhu, Jingde; et al. (agosto de 2008). "Avanzando con un proyecto internacional sobre el epigenoma humano". Nature . 454 (7205): 711–5. Código Bibliográfico :2008Natur.454..711J. doi :10.1038/454711a. PMC 6528477 . PMID 18685699.
^ Meissner A, Mikkelsen TS, Gu H, Wernig M, Hanna J, Sivachenko A, Zhang X, Bernstein BE, Nusbaum C, Jaffe DB, Gnirke A, Jaenisch R, Lander ES (agosto de 2008). "Mapas de metilación del ADN a escala genómica de células pluripotentes y diferenciadas". Nature . 454 (7205): 766–70. Bibcode :2008Natur.454..766M. doi :10.1038/nature07107. PMC 2896277 . PMID 18600261.
^ Bernstein BE, Mikkelsen TS, Xie X, Kamal M, Huebert DJ, Cuff J, Fry B, Meissner A, Wernig M, Plath K, Jaenisch R, Wagschal A, Feil R, Schreiber SL, Lander ES (abril de 2006). "Una estructura de cromatina bivalente marca genes clave del desarrollo en las células madre embrionarias". Celúla . 125 (2): 315–26. doi : 10.1016/j.cell.2006.02.041 . PMID 16630819.
^ Huang J, Fan T, Yan Q, Zhu H, Fox S, Issaq HJ, Best L, Gangi L, Munroe D, Muegge K (2004). "Lsh, un guardián epigenético de elementos repetitivos". Investigación de ácidos nucleicos . 32 (17): 5019–28. doi : 10.1093/nar/gkh821. PMC 521642 . PMID 15448183.
^ Blagitko N, Mergenthaler S, Schulz U, Wollmann HA, Craigen W, Eggermann T, Ropers HH, Kalscheuer VM (julio de 2000). "El GRB10 humano se imprime y se expresa a partir del alelo paterno y materno de una manera altamente específica de tejido e isoforma". Human Molecular Genetics . 9 (11): 1587–95. doi : 10.1093/hmg/9.11.1587 . PMID 10861285.
^ Barski A, Cuddapah S, Cui K, Roh TY, Schones DE, Wang Z, Wei G, Chepelev I, Zhao K (mayo de 2007). "Perfiles de alta resolución de metilaciones de histonas en el genoma humano". Cell . 129 (4): 823–37. doi : 10.1016/j.cell.2007.05.009 . PMID 17512414.
^ Jenuwein T, Allis CD (agosto de 2001). "Traducción del código de las histonas". Science . 293 (5532): 1074–80. doi :10.1126/science.1063127. PMID 11498575. S2CID 1883924.
^ Birney E, Stamatoyannopoulos JA , Dutta A, Guigó R, Gingeras TR, Margulies EH, et al. (Consorcio del Proyecto ENCODE) (junio de 2007). "Identificación y análisis de elementos funcionales en el 1% del genoma humano por el proyecto piloto ENCODE". Nature . 447 (7146): 799–816. Bibcode :2007Natur.447..799B. doi :10.1038/nature05874. PMC 2212820 . PMID 17571346.
^ Filion GJ, van Bemmel JG, Braunschweig U, Talhout W, Kind J, Ward LD, Brugman W, de Castro IJ, Kerkhoven RM, Bussemaker HJ, van Steensel B (octubre de 2010). "El mapeo sistemático de la ubicación de las proteínas revela cinco tipos principales de cromatina en las células de Drosophila". Celúla . 143 (2): 212–24. doi : 10.1016/j.cell.2010.09.009. PMC 3119929 . PMID 20888037.
^ Roy S, Ernst J, Kharchenko PV, Kheradpour P, Negre N, Eaton ML, et al. (Consorcio modENCODE) (diciembre de 2010). "Identificación de elementos funcionales y circuitos reguladores mediante modENCODE de Drosophila". Science . 330 (6012): 1787–97. Bibcode :2010Sci...330.1787R. doi :10.1126/science.1198374. PMC 3192495 . PMID 21177974.
^ Kharchenko PV, Alekseyenko AA, Schwartz YB, Minoda A, Riddle NC, Ernst J, et al. (marzo de 2011). "Análisis exhaustivo del panorama de la cromatina en Drosophila melanogaster". Nature . 471 (7339): 480–5. Bibcode :2011Natur.471..480K. doi :10.1038/nature09725. PMC 3109908 . PMID 21179089.
^ Kundaje A, Meuleman W, Ernst J, Bilenky M, Yen A, Heravi-Moussavi A, Kheradpour P, Zhang Z, et al. (Roadmap Epigenomics Consortium) (febrero de 2015). "Análisis integrativo de 111 epigenomas humanos de referencia". Nature . 518 (7539): 317–30. Bibcode :2015Natur.518..317.. doi :10.1038/nature14248. PMC 4530010 . PMID 25693563.
^ Universidad de California, Santa Cruz (27 de septiembre de 2022). «Nuevo estudio muestra la transmisión de la memoria epigenética a lo largo de múltiples generaciones». Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 119 (40). Phys.org : e2209471119. doi : 10.1073/pnas.2209471119 . PMC 9546627. PMID 36161922. Archivado desde el original el 28 de septiembre de 2022. Consultado el 28 de septiembre de 2022 .{{cite journal}}: CS1 maint: bot: estado de URL original desconocido ( enlace )
^ Imagawa E, Higashimoto K, Sakai Y, Numakura C, Okamoto N, Matsunaga S, et al. (junio de 2017). "Las mutaciones en genes que codifican las subunidades 2 del complejo represor polycomb causan el síndrome de Weaver". Human Mutation . 38 (6): 637–648. doi : 10.1002/humu.23200 . PMID 28229514.
^ Tumores del sistema nervioso central . Agencia Internacional para la Investigación sobre el Cáncer. 2022. págs. 69–73. ISBN9789283245087.
^ Chater-Diehl EJ, Laufer BI, Castellani CA, Alberry BL, Singh SM (2 de mayo de 2016). "Alteración de la expresión génica, metilación del ADN y metilación de histonas en redes de eliminación de radicales libres en el hipocampo de ratones adultos tras la exposición fetal al alcohol". PLOS ONE . 11 (5): e0154836. Bibcode :2016PLoSO..1154836C. doi : 10.1371/journal.pone.0154836 . PMC 4852908 . PMID 27136348.
^ "Secuenciación de IP de cromatina de todo el genoma (ChIP-Seq)" (PDF) . Illumina . Consultado el 23 de octubre de 2019 .
^ "MAINE-Seq/Mnase-Seq". illumina . Consultado el 23 de octubre de 2019 .
^ Buenrostro, Jason D.; Wu, Beijing; Chang, Howard Y.; Greenleaf, William J. (2015). "ATAC-seq: un método para evaluar la accesibilidad de la cromatina en todo el genoma". Protocolos actuales en biología molecular . 109 : 21.29.1–21.29.9. doi :10.1002/0471142727.mb2129s109. PMC 4374986 . PMID 25559105.
^ Schep, Alicia N.; Buenrostro, Jason D.; Denny, Sarah K.; Schwartz, Katja; Sherlock, Gavin; Greenleaf, William J. (2015). "Las huellas dactilares de nucleosomas estructurados permiten el mapeo de alta resolución de la arquitectura de la cromatina dentro de las regiones reguladoras". Genome Research . 25 (11): 1757–1770. doi :10.1101/gr.192294.115. ISSN 1088-9051. PMC 4617971 . PMID 26314830.
^ Song, L.; Crawford, GE (2010). "DNase-seq: una técnica de alta resolución para mapear elementos reguladores de genes activos en todo el genoma de células de mamíferos". Protocolos de Cold Spring Harbor . 2010 (2): pdb.prot5384. doi :10.1101/pdb.prot5384. ISSN 1559-6095. PMC 3627383. PMID 20150147 .
