Un aislante es un tipo de elemento regulador cis conocido como elemento regulador de largo alcance . Se encuentra en eucariotas multicelulares y actúa a distancias del elemento promotor del gen diana. Un aislante tiene una longitud de entre 300 pb y 2000 pb. [1] Los aislantes contienen sitios de unión agrupados para proteínas de unión al ADN específicas de la secuencia [1] y median interacciones intra e intercromosómicas . [ 2]
Los aisladores funcionan como un potenciador -bloqueador o una barrera, o ambos. Los mecanismos por los cuales un aislador realiza estas dos funciones incluyen la formación de bucles y las modificaciones de nucleosomas . [3] [4] Hay muchos ejemplos de aisladores, incluyendo el aislador CTCF , el aislador gitano y el locus de β-globina . El aislador CTCF es especialmente importante en vertebrados , mientras que el aislador gitano está implicado en Drosophila . El locus de β-globina fue estudiado primero en pollos y luego en humanos por su actividad aislante, los cuales utilizan CTCF. [5]
Las implicaciones genéticas de los aisladores radican en su participación en un mecanismo de impronta y su capacidad para regular la transcripción . Las mutaciones de los aisladores están vinculadas al cáncer como resultado de la desregulación del ciclo celular , la tumorigénesis y el silenciamiento de los supresores del crecimiento.
Los aislantes tienen dos funciones principales: [3] [4]
Mientras que el bloqueo de potenciadores se clasifica como una interacción intercromosómica, el hecho de actuar como barrera se clasifica como una interacción intracromosómica. La necesidad de aislantes surge cuando dos genes adyacentes en un cromosoma tienen patrones de transcripción muy diferentes ; es fundamental que los mecanismos de inducción o represión de uno no interfieran con el gen vecino. [6] También se ha descubierto que los aislantes se agrupan en los límites de los dominios de asociación topológica (TAD) y pueden tener un papel en la partición del genoma en "vecindarios cromosómicos", regiones genómicas dentro de las cuales se produce la regulación. [7] [8]
Algunos aislantes pueden actuar como bloqueadores potenciadores y barreras, y algunos sólo tienen una de las dos funciones. [3] Algunos ejemplos de diferentes aislantes son: [3]
Mecanismo de acción similar para los aisladores que bloquean el potenciador; los dominios de bucle de cromatina se forman en el núcleo que separa el potenciador y el promotor de un gen diana. Los dominios de bucle se forman a través de la interacción entre elementos que bloquean el potenciador que interactúan entre sí o que fijan la fibra de cromatina a elementos estructurales dentro del núcleo . [4] La acción de estos aisladores depende de estar posicionados entre el promotor del gen diana y el potenciador aguas arriba o aguas abajo. La forma específica en que los aisladores bloquean a los potenciadores depende del modo de acción de los potenciadores. Los potenciadores pueden interactuar directamente con sus promotores diana a través de un bucle [9] (modelo de contacto directo), en cuyo caso un aislador evita esta interacción a través de la formación de un dominio de bucle que separa los sitios del potenciador y del promotor y evita que se forme el bucle promotor-potenciador. [4] Un potenciador también puede actuar sobre un promotor a través de una señal (modelo de seguimiento de la acción del potenciador). Esta señal puede ser bloqueada por un aislante a través de la orientación de un complejo de nucleoproteína en la base de la formación del bucle. [4]
La actividad de barrera se ha relacionado con la interrupción de procesos específicos en la vía de formación de la heterocromatina. Estos tipos de aisladores modifican el sustrato nucleosómico en el ciclo de reacción que es fundamental para la formación de la heterocromatina. [4] Las modificaciones se logran a través de varios mecanismos, incluida la eliminación de nucleosomas , en la que los elementos que excluyen los nucleosomas impiden que la heterocromatina se propague y se silencie (silenciamiento mediado por cromatina). La modificación también se puede realizar mediante el reclutamiento de la(s ) acetiltransferasa (s) de histonas y complejos de remodelación de nucleosomas dependientes de ATP. [4]
El aislador CTCF parece tener actividad de bloqueo de potenciadores a través de su estructura 3D [10] y no tiene conexión directa con la actividad de barrera. [11] Los vertebrados en particular parecen depender en gran medida del aislador CTCF, sin embargo, hay muchas secuencias de aisladores diferentes identificadas. [2] Los vecindarios aislados formados por la interacción física entre dos loci de ADN unidos a CTCF contienen las interacciones entre los potenciadores y sus genes objetivo. [12]
Un mecanismo de regulación de CTCF es a través de la metilación de su secuencia de ADN . Se sabe que la proteína CTCF se une favorablemente a los sitios no metilados, por lo que se deduce que la metilación de las islas CpG es un punto de regulación epigenética . [2] Un ejemplo de esto se ve en el locus impreso Igf2-H19 donde la metilación de la región de control impresa paterna (ICR) evita que CTCF se una. [13] Un segundo mecanismo de regulación es a través de la regulación de proteínas que son necesarias para el funcionamiento completo de los aisladores CTCF. Estas proteínas incluyen, entre otras, la cohesina , la ARN polimerasa y CP190. [2] [14]
El elemento aislante que se encuentra en el retrotransposón gypsy de Drosophila es una de las varias secuencias que se han estudiado en detalle. El aislante gypsy se puede encontrar en la región no traducida (UTR) 5' del elemento retrotransposón . Gypsy afecta la expresión de genes adyacentes en espera de su inserción en una nueva ubicación genómica , lo que provoca fenotipos mutantes que son específicos del tejido y están presentes en ciertas etapas del desarrollo. Es probable que el aislante tenga un efecto inhibidor sobre los potenciadores que controlan la expresión espacial y temporal del gen afectado. [15]
Los primeros ejemplos de aisladores en vertebrados se observaron en el locus de β-globina del pollo, cHS4 . cHS4 marca el límite entre la eucromatina activa en el locus de β-globina y la región de heterocromatina corriente arriba que está altamente condensada e inactiva. El aislador cHS4 actúa como una barrera para el silenciamiento mediado por cromatina a través de la propagación de la heterocromatina y bloquea las interacciones entre potenciadores y promotores. Una característica distintiva de cHS4 es que tiene una región heterocromática repetitiva en su extremo 5'. [5]
El homólogo del locus de β-globina humana de cHS4 es HS5 . A diferencia del locus de β-globina de pollo, el locus de β-globina humana tiene una estructura de cromatina abierta y no está flanqueado por una región heterocromática 5'. Se cree que HS5 es un aislante genético in vivo, ya que tiene actividad de bloqueo de potenciadores y actividades de barrera transgénica. [5]
El CTCF se caracterizó por primera vez por su papel en la regulación de la expresión del gen de la β-globina. En este locus, el CTCF funciona como una proteína de unión a un aislador que forma un límite cromosómico. [13] El CTCF está presente tanto en el locus de la β-globina de pollo como en el locus de la β-globina humana. Dentro de cHS4 del locus de la β-globina de pollo, el CTCF se une a una región (FII) que es responsable de la actividad de bloqueo del potenciador. [5]
La capacidad de los potenciadores para activar los genes impresos depende de la presencia de un aislante en el alelo no metilado entre los dos genes. Un ejemplo de esto es el locus impreso Igf2-H19 . En este locus, la proteína CTCF regula la expresión impresa uniéndose a la región de control impresa materna no metilada (ICR), pero no a la ICR paterna. Cuando se une a la secuencia materna no metilada, CTCF bloquea eficazmente la interacción de los elementos potenciadores posteriores con el promotor del gen Igf2 , dejando solo el gen H19 para expresarse . [13]
Se ha sugerido que, cuando las secuencias aisladoras se encuentran en las proximidades del promotor de un gen, podrían servir para estabilizar las interacciones entre el potenciador y el promotor. Cuando se encuentran más lejos del promotor, los elementos aisladores competirían con el potenciador e interferirían con la activación de la transcripción . [3] La formación de bucles es común en eucariotas para acercar los elementos distales (potenciadores, promotores, regiones de control de locus ) para que interactúen durante la transcripción. [4] El mecanismo de los aisladores que bloquean el potenciador, si está en la posición correcta, podría desempeñar un papel en la regulación de la activación de la transcripción. [3]
Los aisladores CTCF afectan la expresión de genes implicados en procesos de regulación del ciclo celular que son importantes para el crecimiento celular, la diferenciación celular y la muerte celular programada ( apoptosis ). Dos de estos genes de regulación del ciclo celular que se sabe que interactúan con CTCF son hTERT y C-MYC. En estos casos, una mutación de pérdida de función en el gen aislador CTCF cambia los patrones de expresión y puede afectar la interacción entre el crecimiento celular, la diferenciación y la apoptosis y provocar tumorigénesis u otros problemas. [2]
El CTCF también es necesario para la expresión del gen represor tumoral retinoblastoma (Rb) y las mutaciones y deleciones de este gen están asociadas con neoplasias malignas hereditarias . Cuando se elimina el sitio de unión del CTCF, la expresión de Rb disminuye y los tumores pueden prosperar. [2]
Otros genes que codifican reguladores del ciclo celular incluyen BRCA1 y p53 , que son supresores del crecimiento que están silenciados en muchos tipos de cáncer y cuya expresión está controlada por CTCF. La pérdida de la función de CTCF en estos genes conduce al silenciamiento del supresor del crecimiento y contribuye a la formación del cáncer. [2]
La activación aberrante de los aisladores puede modular la expresión de genes relacionados con el cáncer, incluidas las metaloproteinasas de matriz implicadas en la invasión de células cancerosas. [16]
Medios relacionados con Aislante (genética) en Wikimedia Commons