Un aislante es un tipo de elemento regulador cis conocido como elemento regulador de largo alcance . Un aislante , que se encuentra en eucariotas multicelulares y trabaja a distancias del elemento promotor del gen diana, suele tener una longitud de 300 pb a 2000 pb. [1] Los aislantes contienen sitios de unión agrupados para proteínas de unión al ADN de secuencia específica [1] y median interacciones intra e intercromosómicas . [2]
Los aisladores funcionan como potenciadores -bloqueadores o como barrera, o ambos. Los mecanismos por los cuales un aislante realiza estas dos funciones incluyen la formación de bucles y modificaciones de nucleosomas . [3] [4] Hay muchos ejemplos de aislantes, incluido el aislante CTCF , el aislante gitano y el locus de β-globina . El aislante CTCF es especialmente importante en los vertebrados , mientras que el aislante gitano está implicado en Drosophila . El locus de β-globina se estudió por primera vez en pollos y luego en humanos por su actividad aislante, y ambos utilizan CTCF. [5]
Las implicaciones genéticas de los aislantes radican en su participación en un mecanismo de impresión y su capacidad para regular la transcripción . Las mutaciones de los aislantes están relacionadas con el cáncer como resultado de la desregulación del ciclo celular , la tumorigénesis y el silenciamiento de los supresores del crecimiento.
Los aisladores tienen dos funciones principales: [3] [4]
Mientras que el bloqueo del potenciador se clasifica como una interacción intercromosómica, 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 inductores o represores 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 desempeñar un papel en la partición del genoma en "barrios cromosómicos", regiones genómicas dentro de las cuales se produce la regulación. [7] [8]
Algunos aisladores pueden actuar como barreras y bloqueadores potenciadores, y algunos solo tienen una de las dos funciones. [3] Algunos ejemplos de diferentes aisladores son: [3]
Mecanismo de acción similar para los aisladores bloqueadores de potenciadores; Los dominios del 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 bloqueadores del potenciador que interactúan entre sí o aseguran la fibra de cromatina a elementos estructurales dentro del núcleo . [4] La acción de estos aislantes depende de su ubicación entre el promotor del gen diana y el potenciador ascendente o descendente. La forma específica en que los aisladores bloquean los potenciadores depende del modo de acción de los potenciadores. Los potenciadores pueden interactuar directamente con sus promotores objetivo a través de bucles [9] (modelo de contacto directo), en cuyo caso un aislante evita esta interacción mediante la formación de un dominio de bucle que separa los sitios potenciador y promotor y evita que el bucle promotor-potenciador se una. formando. [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 apuntando a un complejo de nucleoproteína en la base de la formación del bucle. [4]
La actividad de barrera se ha relacionado con la alteración de procesos específicos en la vía de formación de heterocromatina. Estos tipos de aislantes modifican el sustrato nucleosomal en el ciclo de reacción que es fundamental para la formación de heterocromatina. [4] Las modificaciones se logran a través de varios mecanismos, incluida la eliminación de nucleosomas , en la que los elementos excluyentes de nucleosomas interrumpen la propagación y el silenciamiento de la heterocromatina (silenciamiento mediado por cromatina). La modificación también se puede realizar mediante el reclutamiento de histonas acetiltransferasas y complejos de remodelación de nucleosomas dependientes de ATP. [4]
El aislante CTCF parece tener actividad de bloqueo potenciador 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 aislante CTCF; sin embargo, se han identificado muchas secuencias de aislantes diferentes. [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 diana. [12]
Un mecanismo de regulación del CTCF es mediante la metilación de su secuencia de ADN . Se sabe que la proteína CTCF se une favorablemente a 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 (ICR) paterna evita que CTCF se una. [13] Un segundo mecanismo de regulación es a través de la regulación de proteínas que son necesarias para que los aislantes CTCF funcionen plenamente. Estas proteínas incluyen, entre otras, cohesina , ARN polimerasa y CP190. [2] [14]
El elemento aislante que se encuentra en el retrotransposón gitano de Drosophila es una de varias secuencias que se han estudiado en detalle. El aislante gitano 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 de 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 aislantes en vertebrados se observaron en el locus de β-globina de pollo, cHS4 . cHS4 marca el límite entre la eucromatina activa en el locus de β-globina y la región de heterocromatina aguas arriba que está altamente condensada e inactiva. El aislante cHS4 actúa como una barrera para el silenciamiento mediado por la cromatina mediante la propagación de 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 potenciador y actividades de barrera transgénica. [5]
CTCF se caracterizó por primera vez por su papel en la regulación de la expresión del gen de la β-globina. En este locus, CTCF funciona como una proteína de unión a aislante formando un límite cromosómico. [13] CTCF está presente tanto en el locus de β-globina de pollo como en el locus de β-globina humana. Dentro de cHS4 del locus de β-globina de pollo, 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 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 (ICR) materna no metilada, 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]
Cuando las secuencias aislantes se ubican muy cerca del promotor de un gen, se ha sugerido que podrían servir para estabilizar las interacciones potenciador-promotor. Cuando están ubicados más lejos del promotor, los elementos aislantes competirían con el potenciador e interferirían con la activación de la transcripción . [3] La formación de bucles es común en eucariotas para acercar elementos distales (potenciadores, promotores, regiones de control de locus ) para la interacción durante la transcripción. [4] El mecanismo de los aislantes que bloquean el potenciador entonces, si está en la posición correcta, podría desempeñar un papel en la regulación de la activación de la transcripción. [3]
Los aislantes 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 reguladores del ciclo celular que se sabe que interactúan con CTCF son hTERT y C-MYC. En estos casos, una mutación con pérdida de función en el gen aislante CTCF cambia los patrones de expresión y puede afectar la interacción entre el crecimiento, la diferenciación y la apoptosis celular y provocar tumorigénesis u otros problemas. [2]
CTCF también es necesario para la expresión del gen represor tumoral del retinoblastoma (Rb) y las mutaciones y deleciones de este gen están asociadas con neoplasias malignas hereditarias . Cuando se elimina el sitio de unión de 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 silenciados en muchos tipos de cáncer y cuya expresión está controlada por CTCF. La pérdida de función de CTCF en estos genes conduce al silenciamiento del supresor del crecimiento y contribuye a la formación de cáncer. [2]
La activación aberrante de aislantes puede modular la expresión de genes relacionados con el cáncer, incluidas las metaloproteinasas de matriz implicadas en la invasión de células cancerosas. [dieciséis]
Medios relacionados con Insulator (genética) en Wikimedia Commons