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 enrollamiento 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 las células. [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 (MNasa-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]
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