Los factores pioneros son factores de transcripción que pueden unirse directamente a la cromatina condensada . Pueden tener efectos positivos y negativos en la transcripción y son importantes para reclutar otros factores de transcripción y enzimas de modificación de histonas , así como para controlar la metilación del ADN . Se descubrieron por primera vez en 2002 como factores capaces de unirse a sitios diana en el ADN nucleosómico en la cromatina compactada y otorgar competencia para la actividad genética durante la hepatogénesis. [1] Los factores pioneros están involucrados en el inicio de la diferenciación celular y la activación de genes específicos de la célula . Esta propiedad se observa en factores de transcripción que contienen dominios de pliegue de histonas (fork head box (FOX) [2] y NF-Y [3] ) y otros factores de transcripción que utilizan dedos de zinc para la unión al ADN (Groucho TLE, Gal4 y GATA). [2] [4]
La célula eucariota condensa su genoma en cromatina y nucleosomas muy compactos . Esta capacidad ahorra espacio en el núcleo solo para los genes que se transcriben activamente y oculta los genes innecesarios o perjudiciales que se transcriben. El acceso a estas regiones condensadas se realiza mediante la remodelación de la cromatina, ya sea equilibrando las modificaciones de las histonas o directamente con factores pioneros que pueden aflojar la cromatina por sí mismos o como una bandera que recluta otros factores. Los factores pioneros no son necesariamente necesarios para el ensamblaje del aparato de transcripción y pueden disociarse después de ser reemplazados por otros factores.
Los factores pioneros también pueden afectar activamente la transcripción al abrir directamente la cromatina condensada en un proceso independiente de ATP. [2] [3] Este es un rasgo común de los factores de caja de cabeza de horquilla (que contienen un dominio de unión al ADN de hélice alada que imita el dominio de unión al ADN de la histona de enlace H1 [5] ) y NF-Y (cuyas subunidades NF-YB y NF-YC contienen dominios de pliegue de histona similares a los de las histonas centrales H2A/H2B [6] ).
La similitud con la histona H1 explica cómo los factores de cabeza de horquilla pueden unirse a la cromatina al interactuar con el surco mayor de solo un lado disponible del ADN envuelto alrededor de un nucleosoma. [5] [7] Los dominios de cabeza de horquilla también tienen una hélice que confiere especificidad de secuencia a diferencia de la histona de enlace. [5] [8] El extremo C se asocia con una mayor movilidad alrededor del nucleosoma que la histona de enlace, desplazándolo y reorganizando los paisajes nucleosomales de manera efectiva. [7] Esta reorganización activa de los nucleosomas permite que otros factores de transcripción se unan al ADN disponible. En la diferenciación de células tiroideas, FoxE se une a la cromatina compactada del promotor de la peroxidasa tiroidea y la abre para la unión de NF1 . [9]
NF-Y es un complejo heterotrimérico compuesto por las subunidades NF-YA , NF-YB y NF-YC . La característica estructural clave del complejo NF-Y/ADN es la interacción de surco menor de su subunidad NF-YA que contiene el dominio de unión al ADN , que induce una curvatura de ~80° en el ADN. NF-YB y NF-YC interactúan con el ADN a través de contactos no específicos entre el dominio de pliegue de histona y el ADN. [6] El modo de unión al ADN único de NF-YA y las propiedades similares a los nucleosomas de NF-YB/NF-YC de unión al ADN no específica imponen restricciones espaciales suficientes para inducir a los nucleosomas flanqueantes a deslizarse hacia afuera, lo que hace que los sitios de reconocimiento cercanos para otros factores de transcripción sean accesibles. [3]
Los factores pioneros pueden funcionar pasivamente, actuando como un marcador para que la célula reclute otros factores de transcripción a genes específicos en la cromatina condensada. Esto puede ser importante para preparar la célula para una respuesta rápida, ya que el potenciador ya está unido a un factor de transcripción pionero, lo que le da una ventaja para ensamblar el complejo de preiniciación de la transcripción . Las respuestas hormonales a menudo se inducen rápidamente en la célula utilizando este método de preparación, como con el receptor de estrógeno . [10] Otra forma de preparación es cuando un potenciador se une simultáneamente a factores pioneros activadores y represores. Este equilibrio puede inclinarse por la disociación de uno de los factores. En la diferenciación de células hepáticas, el factor pionero activador FOXA1 recluta un represor , grg3, que evita la transcripción hasta que el represor se regula a la baja más adelante en el proceso de diferenciación. [11]
En un papel directo, los factores pioneros pueden unirse a un potenciador y reclutar un complejo de activación que modificará la cromatina directamente. El cambio en la cromatina cambia la afinidad, disminuyendo la afinidad del factor pionero de tal manera que es reemplazado por un factor de transcripción que tiene una afinidad más alta. Este es un mecanismo para que la célula active un gen que se observó con factores de modificación del reclutamiento del receptor de glucocorticoides que luego modifican el sitio para unirse al receptor de estrógeno activado, lo que se denominó un mecanismo de “señuelo y cambio”. [12]
Los factores pioneros pueden exhibir su mayor variedad de efectos sobre la transcripción a través de la modulación de factores epigenéticos mediante el reclutamiento de enzimas de modificación de histonas activadoras o represoras y el control de la metilación de CpG mediante la protección de residuos de cisteína específicos . Esto tiene efectos en el control del momento de la transcripción durante los procesos de diferenciación celular.
La modificación de histonas es un mecanismo bien estudiado para ajustar transitoriamente la densidad de la cromatina. Los factores pioneros pueden desempeñar un papel en esto al unir potenciadores específicos y marcar las enzimas de modificación de histonas a ese gen específico. Los factores pioneros represivos pueden inhibir la transcripción al reclutar factores que modifican las histonas que tensan aún más la cromatina. Esto es importante para limitar la expresión génica a tipos de células específicos y debe eliminarse solo cuando comienza la diferenciación celular. FoxD3 se ha asociado como un represor de las vías de diferenciación de células B y melanocíticas , manteniendo las modificaciones represivas de histonas donde están unidas, que deben superarse para comenzar la diferenciación. [13] [14] Los factores pioneros también pueden asociarse con el reclutamiento de modificaciones de histonas que activan la transcripción. Las enzimas que modifican H3K4 con mono y dimetilación están asociadas con el aumento de la transcripción y se ha demostrado que se unen a los factores pioneros. [10] En la diferenciación de células B, PU.1 es necesario para señalar histonas específicas para activar modificaciones de H3K4me1 que diferencian a las células madre hematopoyéticas en el linaje de células B o macrófagos. [15] La unión de FoxA1 induce HSK4me2 durante la diferenciación neuronal de células madre pluripotentes [16] así como la pérdida de metilación del ADN. [17] SOX9 recluta las enzimas de modificación de histonas MLL3 y MLL4 para depositar H3K4me1 antes de la apertura de potenciadores en el folículo piloso en desarrollo y carcinoma de células basales. [18]
Los factores pioneros también pueden afectar la transcripción y diferenciación a través del control de la metilación del ADN. Los factores pioneros que se unen a las islas CpG y los residuos de citosina bloquean el acceso a las metiltransferasas. Muchas células eucariotas tienen islas CpG en sus promotores que pueden ser modificadas por metilación teniendo efectos adversos en su capacidad para controlar la transcripción. [19] Este fenómeno también está presente en promotores sin islas CpG donde los residuos de citosina individuales están protegidos de la metilación hasta una mayor diferenciación celular. Un ejemplo es FoxD3 que previene la metilación de un residuo de citosina en el potenciador Alb1 , actuando como un marcador de posición para FoxA1 más tarde en hepática [20] así como en islas CpG de genes en leucemia linfocítica crónica . [21] Para el control estable del estado de metilación, los residuos de citosina están cubiertos durante la mitosis , a diferencia de la mayoría de los otros factores de transcripción, para prevenir la metilación. Los estudios han demostrado que durante la mitosis el 15% de todos los sitios de unión de FoxA1 en interfase estaban unidos. [22] La protección de la metilación de la citosina se puede eliminar rápidamente, lo que permite una inducción rápida cuando hay una señal presente.
Una familia de factores pioneros bien estudiada son los factores de transcripción relacionados con Groucho (Gro/TLE/Grg) que a menudo tienen un efecto negativo en la transcripción. Estos dominios de unión a la cromatina pueden abarcar hasta 3-4 nucleosomas. Estos grandes dominios son andamios para interacciones proteicas posteriores y también modifican la cromatina para otros factores pioneros como FoxA1, que se ha demostrado que se une a Grg3. [23] Factores de transcripción con dominios de unión al ADN con dedos de zinc , como la familia GATA y el receptor de glucocorticoides. [10] Los dominios con dedos de zinc no parecen unirse bien a los nucleosomas y pueden ser desplazados por factores FOX. [22]
En la epidermis de la piel, el factor de transcripción de la familia SOX, SOX9 , también se comporta como un factor pionero que regula el destino de las células del folículo piloso y puede reprogramar las células madre epidérmicas para un destino de folículo piloso. [24]
La capacidad de los factores pioneros para responder a señales extracelulares para diferenciar el tipo de célula se ha estudiado como un componente potencial de los cánceres dependientes de hormonas. Se ha demostrado que hormonas como el estrógeno y el IGFI aumentan la concentración del factor pionero, lo que conduce a un cambio en la transcripción. [ 25 ] Los factores pioneros conocidos como FoxA1, PBX1 , TLE, AP2 ɣ , factores GATA 2/3/4 y PU.1 se han asociado con el cáncer dependiente de hormonas. FoxA1 es necesario para la hepatocarcinogénesis mediada por estrógenos y andrógenos y es un gen definitorio del cáncer de mama luminal ER + , al igual que otro factor pionero GATA3. [10] [25] FOXA1 en particular se expresa en el 90% de las metástasis del cáncer de mama y en el 89% de los cánceres de próstata metastásicos. [25] [26] En la línea celular del cáncer de mama, MCF-7 , se encontró que FoxA1 estaba unido al 50% de los sitios de unión del receptor de estrógeno independientemente de la presencia de estrógeno. La alta expresión de factores pioneros se asocia con un mal pronóstico, con la excepción del cáncer de mama, donde FoxA1 se asocia con un resultado más fuerte. [25]
La correlación entre los factores pioneros y el cáncer ha llevado a una posible focalización terapéutica. En estudios de eliminación en la línea celular de cáncer de mama MCF-7, se encontró que la disminución de los factores pioneros FoxA1 y AP2 ɣ disminuyó la señalización del RE. [4] [25] Otras proteínas de cabeza de horquilla se han asociado con el cáncer, incluidas FoxO3 y FoxM que reprimen las vías de supervivencia celular Ras y PPI3K/AKT/IKK. [27] Se están utilizando medicamentos como Paclitaxel , Imatinib y doxorrubicina que activan FoxO3a o sus objetivos. La modificación para modular los factores relacionados con la actividad pionera es un tema de interés en las primeras etapas, ya que la eliminación de los factores pioneros puede tener efectos tóxicos a través de la alteración de las vías de linaje de las células sanas. [25]