La metilación de histonas es un proceso mediante el cual los grupos metilo se transfieren a aminoácidos de las proteínas histonas que forman los nucleosomas , que la doble hélice del ADN envuelve para formar cromosomas . La metilación de histonas puede aumentar o disminuir la transcripción de genes, dependiendo de qué aminoácidos de las histonas estén metilados y cuántos grupos metilo estén unidos. Los eventos de metilación que debilitan las atracciones químicas entre las colas de las histonas y el ADN aumentan la transcripción porque permiten que el ADN se desenrolle de los nucleosomas para que las proteínas del factor de transcripción y la ARN polimerasa puedan acceder al ADN. Este proceso es fundamental para la regulación de la expresión genética que permite que diferentes células expresen genes diferentes.
La metilación de histonas, como mecanismo para modificar la estructura de la cromatina , se asocia con la estimulación de vías neuronales que se sabe que son importantes para la formación de recuerdos y aprendizaje a largo plazo . [1] La metilación de histonas es crucial para casi todas las fases del desarrollo embrionario animal . [2]
Los modelos animales han demostrado que la metilación y otros mecanismos de regulación epigenética están asociados con condiciones de envejecimiento, enfermedades neurodegenerativas y discapacidad intelectual [1] ( síndrome de Rubinstein-Taybi , discapacidad intelectual ligada al cromosoma X ). [3] La mala regulación de H3K4, H3K27 y H4K20 está asociada con cánceres . [4] Esta modificación altera las propiedades del nucleosoma y afecta sus interacciones con otras proteínas, particularmente en lo que respecta a los procesos de transcripción genética.
La unidad fundamental de la cromatina , llamada nucleosoma , contiene ADN enrollado alrededor de un octámero de proteína . Este octámero consta de dos copias de cada una de cuatro proteínas histonas: H2A , H2B , H3 y H4 . Cada una de estas proteínas tiene una extensión de cola, y estas colas son los objetivos de la modificación de los nucleosomas por metilación. La activación o inactivación del ADN depende en gran medida del residuo de cola específico metilado y de su grado de metilación. Las histonas pueden metilarse únicamente en residuos de lisina (K) y arginina (R), pero la metilación se observa más comúnmente en residuos de lisina de las colas de histonas H3 y H4. [7] El extremo de la cola más alejado del núcleo del nucleosoma es el N-terminal (los residuos se numeran comenzando en este extremo). Los sitios comunes de metilación asociados con la activación genética incluyen H3K4, H3K48 y H3K79. Los sitios comunes para la inactivación de genes incluyen H3K9 y H3K27. [8] Los estudios de estos sitios han encontrado que la metilación de las colas de histonas en diferentes residuos sirven como marcadores para el reclutamiento de diversas proteínas o complejos de proteínas que sirven para regular la activación o inactivación de la cromatina.
Los residuos de lisina y arginina contienen grupos amino, que confieren características básicas e hidrofóbicas. La lisina puede mono, di o trimetilarse con un grupo metilo que reemplaza cada hidrógeno de su grupo NH3+. Con un grupo NH2 y NH2+ libre, la arginina puede mono o dimetilarse. Esta dimetilación puede ocurrir de forma asimétrica en el grupo NH2 o simétricamente con una metilación en cada grupo. [9] Cada adición de un grupo metilo en cada residuo requiere un conjunto específico de enzimas proteicas con varios sustratos y cofactores. Generalmente, la metilación de un residuo de arginina requiere un complejo que incluye la proteína arginina metiltransferasa (PRMT), mientras que la lisina requiere una histona metiltransferasa (HMT) específica, que generalmente contiene un dominio SET evolutivamente conservado. [10]
Diferentes grados de metilación de residuos pueden conferir diferentes funciones, como se ejemplifica en la metilación del residuo H4K20 comúnmente estudiado. El H4K20 monometilado ( H4K20me 1) participa en la compactación de la cromatina y, por tanto, en la represión transcripcional. Sin embargo, H4K20me2 es vital en la reparación del ADN dañado. Cuando se dimetila, el residuo proporciona una plataforma para la unión de la proteína 53BP1 implicada en la reparación de roturas del ADN de doble cadena mediante la unión de extremos no homólogos. Se observa que H4K20me3 se concentra en heterocromatina y se observan reducciones en esta trimetilación en la progresión del cáncer. Por lo tanto, H4K20me3 desempeña un papel adicional en la represión de la cromatina. [10] La reparación de roturas de doble cadena del ADN en la cromatina también se produce mediante recombinación homóloga y también implica la metilación de histonas ( H3K9me3 ) para facilitar el acceso de las enzimas reparadoras a los sitios de daño. [11]
El genoma está estrechamente condensado en cromatina, que debe aflojarse para que se produzca la transcripción . Para detener la transcripción de un gen, el ADN debe estar más enrollado. Esto se puede hacer modificando las histonas en ciertos sitios mediante metilación. Las histonas metiltransferasas son enzimas que transfieren grupos metilo de la S-adenosil metionina (SAM) a los residuos de lisina o arginina de las histonas H3 y H4. Hay casos en los que los dominios globulares centrales de las histonas también están metilados.
Las histonas metiltransferasas son específicas de lisina o arginina. Las transferasas específicas de lisina se dividen además en si tienen o no un dominio SET o un dominio no SET. Estos dominios especifican exactamente cómo la enzima cataliza la transferencia del metilo desde SAM a la proteína de transferencia y luego al residuo de histona. [12] Las metiltransferasas pueden agregar de 1 a 3 metilos en los residuos objetivo.
Estos metilos que se agregan a las histonas actúan para regular la transcripción bloqueando o fomentando el acceso del ADN a los factores de transcripción. De esta forma la integridad del genoma y la herencia epigenética de los genes están bajo el control de las acciones de las histonas metiltransferasas. La metilación de histonas es clave para distinguir la integridad del genoma y los genes que expresan las células, dándoles así su identidad.
Las histonas metiladas pueden reprimir o activar la transcripción. [12] Por ejemplo, mientras que H3K4me2, H3K4me3 y H3K79me3 generalmente se asocian con actividad transcripcional, H3K9me2 , H3K9me3 , H3K27me2, H3K27me3 y H4K20me3 se asocian con represión transcripcional. [13]
Las modificaciones realizadas en la histona tienen un efecto sobre los genes que se expresan en una célula y este es el caso cuando las histonas metiltransferasas añaden metilos a los residuos de histonas. [14] La metilación de histonas juega un papel importante en el ensamblaje del mecanismo de la heterocromatina y el mantenimiento de los límites genéticos entre los genes que se transcriben y los que no. Estos cambios se transmiten a la descendencia y pueden verse afectados por el entorno al que están sujetas las células. Las alteraciones epigenéticas son reversibles, lo que significa que pueden ser objetivos de terapia.
Las actividades de las histonas metiltransferasas se ven compensadas por la actividad de las histonas desmetilasas. Esto permite activar o desactivar la transcripción invirtiendo modificaciones preexistentes. Es necesario que las actividades tanto de las histonas metiltransferasas como de las histonas desmetilasas estén estrictamente reguladas. La mala regulación de cualquiera de ellos puede provocar una expresión genética que conduzca a una mayor susceptibilidad a las enfermedades. Muchos cánceres surgen de los efectos epigenéticos inadecuados de una metilación mal regulada. [15] Sin embargo, debido a que estos procesos son a veces reversibles, existe interés en utilizar sus actividades junto con terapias contra el cáncer. [15]
En los organismos femeninos, un espermatozoide que contiene un cromosoma X fertiliza el óvulo, dándole al embrión dos copias del cromosoma X. Las mujeres, sin embargo, inicialmente no necesitan ambas copias del cromosoma X, ya que esto sólo duplicaría la cantidad de productos proteicos transcritos, como lo demuestra la hipótesis de la compensación de dosis. El cromosoma X paterno se inactiva rápidamente durante las primeras divisiones. [16] Este cromosoma X inactivo (Xi) está empaquetado en una forma increíblemente apretada de cromatina llamada heterocromatina . [17] Este empaquetamiento se produce debido a la metilación de los diferentes residuos de lisina que ayudan a formar diferentes histonas. En los seres humanos, la inactivación de X es un proceso aleatorio, mediado por el ARN no codificante XIST. [18]
Aunque la metilación de residuos de lisina ocurre en muchas histonas diferentes, la más característica de Xi ocurre en la novena lisina de la tercera histona (H3K9). Si bien una única metilación de esta región permite que los genes unidos permanezcan transcripcionalmente activos, [19] en la heterocromatina este residuo de lisina a menudo se metila dos o tres veces, H3K9me2 o H3K9me3 respectivamente, para garantizar que el ADN unido esté inactivo. Investigaciones más recientes han demostrado que H3K27me3 y H4K20me1 también son comunes en embriones tempranos. Otras marcas de metilación asociadas con áreas transcripcionalmente activas del ADN, H3K4me2 y H3K4me3, faltan en el cromosoma Xi junto con muchas marcas de acetilación. Aunque se sabía que ciertas marcas de metilación de histonas Xi se mantenían relativamente constantes entre especies, recientemente se ha descubierto que diferentes organismos e incluso diferentes células dentro de un solo organismo pueden tener diferentes marcas para su inactivación de X. [20] A través de la metilación de histonas, se produce una impronta genética , de modo que el mismo homólogo X permanece inactivado a través de replicaciones cromosómicas y divisiones celulares.
Debido al hecho de que la metilación de histonas regula gran parte de lo que se transcriben los genes, incluso cambios leves en los patrones de metilación pueden tener efectos nefastos en el organismo. Las mutaciones que ocurren para aumentar y disminuir la metilación tienen grandes cambios en la regulación genética, mientras que las mutaciones en enzimas como la metiltransferasa y la desmetiltransferasa pueden alterar completamente qué proteínas se transcriben en una célula determinada. La metilación excesiva de un cromosoma puede provocar que ciertos genes que son necesarios para el funcionamiento normal de las células se inactiven. En una determinada cepa de levadura, Saccharomyces cerevisiae , una mutación que provoca que tres residuos de lisina en la tercera histona, H3K4, H3K36 y H3K79, se metan, provoca un retraso en el ciclo celular mitótico, ya que muchos genes necesarios para esta progresión están inactivados. Esta mutación extrema conduce a la muerte del organismo. Se ha descubierto que la eliminación de genes que eventualmente permitirán la producción de histona metiltransferasa permite a este organismo vivir ya que sus residuos de lisina no están metilados. [21]
En los últimos años, los investigadores han llamado la atención sobre el hecho de que muchos tipos de cáncer se deben en gran medida a factores epigenéticos. El cáncer puede producirse de diversas formas debido a la metilación diferencial de las histonas. Desde el descubrimiento de los oncogenes y de los genes supresores de tumores, se sabe que un factor importante que causa y reprime el cáncer se encuentra dentro de nuestro propio genoma. Si las áreas alrededor de los oncogenes se desmetilan, estos genes que causan cáncer tienen el potencial de transcribirse a un ritmo alarmante. Lo opuesto a esto es la metilación de genes supresores de tumores. En los casos en que las áreas alrededor de estos genes estaban altamente metiladas, el gen supresor de tumores no estaba activo y, por lo tanto, era más probable que se produjera cáncer. Estos cambios en el patrón de metilación a menudo se deben a mutaciones en la metiltransferasa y la desmetiltransferasa. [22] Otros tipos de mutaciones en proteínas como la isocitrato deshidrogenasa 1 (IDH1) y la isocitrato deshidrogenasa 2 (IDH2) pueden causar la inactivación de la histona desmetiltransferasa, lo que a su vez puede provocar una variedad de cánceres, gliomas y leucemias, dependiendo de en qué células se produce la mutación. [23]
En el metabolismo de un carbono, los aminoácidos glicina y serina se convierten a través de los ciclos de folato y metionina en precursores de nucleótidos y SAM. Múltiples nutrientes alimentan el metabolismo de un carbono, incluyendo glucosa , serina, glicina y treonina . Los niveles altos del donante de metilo SAM influyen en la metilación de las histonas, lo que puede explicar cómo los niveles altos de SAM previenen la transformación maligna. [24]