Las proteínas reguladoras de información silenciosa ( SIR ) participan en la regulación de la expresión genética. Las proteínas SIR organizan la heterocromatina cerca de los telómeros , [1] el ADN ribosómico (rADN) , [2] y en loci silenciosos, incluidos los loci de tipo de apareamiento oculto en la levadura. [3] [4] La familia de genes SIR codifica proteínas catalíticas y no catalíticas que participan en la desacetilación de las colas de histonas y la posterior condensación de la cromatina alrededor de un andamiaje de proteína SIR. [5] Algunos miembros de la familia SIR se conservan desde la levadura hasta los humanos.
Las proteínas SIR se han identificado en muchas pruebas y, históricamente, se las ha conocido como SIR [3] ( regulador silencioso de la información ) , MAR [6] ( regulador del tipo de apareamiento ), STE [7] ( estéril ), CMT [8] ( cambio del tipo de apareamiento ) o SSP [9] ( supresor estéril ) según la prueba que haya llevado a su identificación. En última instancia, el nombre SIR fue el que más perduró, porque describe con mayor precisión la función de las proteínas codificadas. [ cita requerida ]
Una de las primeras pruebas de detección de genes SIR en levaduras fue realizada por Anita Hopper y Benjamin Hall, quienes realizaron una prueba de mutagénesis en busca de alelos que permiten la esporulación en un heterotálico α/α normalmente deficiente en esporulación ( ho/ho MATα/MATα ). Su prueba identificó una mutación en un gen nuevo que no estaba vinculado a HO que permitía al diploide α/α esporular, como si fuera un diploide α/a, e infirieron que la mutación afectaba a un cambio en el tipo de apareamiento mediante un mecanismo independiente de HO . [8] Más tarde, se descubrió que el alelo CMT identificado por Hopper y Hall no causaba una conversión del tipo de apareamiento en el locus MAT, sino que permitía la expresión de genes de tipo de apareamiento crípticos que están silenciados en la levadura de tipo salvaje. [4] En su artículo que aclara el mecanismo de la mutación CMT, Haber y reconocen la contribución de Amar Klar , quien presentó sus cepas mutantes MAR que tenían propiedades similares a las de los mutantes CMT en la reunión de genética de levaduras del Laboratorio Cold Spring Harbor , lo que llevó a Haber y a considerar la hipótesis de que los mutantes cmt pueden actuar desreprimiendo la información silenciosa. [10]
En el mismo año en que Haber & demostraron que el mutante cmt restaura la esporulación al desreprimir los loci de tipo de apareamiento ocultos, otros dos grupos publicaron exámenes para genes involucrados en la regulación de casetes de tipo de apareamiento silencioso. [6] El primer estudio, realizado por Amar Klar, Seymour Fogel y Kathy Macleod, identificó una mutación en un diploide a/a espontáneo que causó que los productos de la esporulación fueran haploides con un fenotipo diploide aparente, según se ensayó por la capacidad de aparearse. [6] Los autores razonaron que la mutación causó la desrepresión de los loci de tipo de apareamiento silencioso recientemente apreciados HMa y HMα, lo que permitiría que un diploide a/a esporulara y causaría que los segregantes haploides que heredan el alelo mutante se comporten como diploides a/α a pesar de ser haploides. [6] Los autores denominaron a la mutación MAR por su aparente papel en la regulación del tipo de apareamiento, y pudieron mapear la mutación al cromosoma IV, y determinaron que estaba ubicada a 27,3 cM de un marcador trp1 comúnmente utilizado . [6]
Unos meses más tarde, Jasper Rine e Ira Herskowitz publicaron un análisis diferente de los genes que afectan la capacidad de la levadura para aparearse , y finalmente descubrieron la familia de genes que llamaron SIR, un nombre que permanece en el lenguaje moderno. [3] A diferencia del análisis de Klar et al. que identificó un mutante por su incapacidad para aparearse, Rine y Herskowitz adoptaron un enfoque más dirigido hacia el descubrimiento de los factores responsables del silenciamiento del tipo de apareamiento. Específicamente, Rine y Herskowitz razonaron que una célula de levadura haploide con una mutación recesiva en matα1 podría complementarse si se desreprimiera la copia silenciosa de MATα. A partir de una cepa haploide ho matα1 , Rine y Herskowitz analizaron mutantes que surgieron de la mutagénesis e identificaron cinco mutantes que restauraron un fenotipo MATα en células matα, pero no estaban vinculados al locus MAT y no causaron una conversión genética entre el locus HMα y matα. [3] Estos mutantes, razonaron, eran específicamente defectuosos en silenciar los genes de tipo de apareamiento críptico.
Finalmente, todos los mutantes resultantes del análisis original de Hopper y Hall, así como del análisis posterior de Rine y Herskowitz y del análisis de Klar et al., fueron caracterizados y mapeados, y se demostró que los genes causantes eran los mismos. [11] De hecho, los genes que ahora se conocen como SIR1-4 alguna vez fueron denominados MAR, CMT o STE según el análisis que identificó los mutantes.
Aunque Klar, Hartwell y Hopper identificaron mutaciones en los genes SIR y aplicaron otros nombres a los genes antes de que Rine realizara su análisis, el nombre SIR se adoptó finalmente porque Rine finalmente identificó el conjunto más completo de genes funcionalmente relacionados (SIR1-4), y porque el trabajo de Rine y Herskowitz describió con mayor precisión la función de los genes de la familia SIR. [11] Más tarde se demostraría que en la levadura y en organismos superiores, las proteínas SIR son importantes para la regulación transcripcional de muchos dominios de la cromatina.
En la levadura en ciernes, las proteínas SIR se encuentran en los loci de tipo de apareamiento silencioso, los telómeros y en el locus del ADNr. En los loci de tipo de apareamiento silencioso y en los telómeros, las proteínas SIR participan en el silenciamiento transcripcional de genes dentro de su dominio de localización. En el locus del ADNr, se cree que las proteínas SIR son importantes principalmente para reprimir la recombinación entre repeticiones del ADNr en lugar de suprimir la transcripción. [12]
En el silenciamiento transcripcional, se requieren SIR2,3,4 en cantidades estequiométricas para silenciar regiones cromosómicas específicas. En la levadura, las proteínas SIR se unen a sitios en las colas de los nucleosomas y forman un compuesto multimérico de SIR2,3,4 que condensa la cromatina y se cree que ocluye físicamente a los promotores en el intervalo silenciado, impidiendo su interacción con la maquinaria de transcripción. [12] El establecimiento de dominios de heterocromatina reprimidos por SIR es un proceso complicado que involucra diferentes subconjuntos de proteínas y proteínas reguladoras según el locus en el genoma. [12] En los loci de tipo de apareamiento silencioso y en los telómeros de levadura, los factores de transcripción Abf1 ( factor de unión a AR ) y Rap1 ( proteína represora - activadora ) se asocian con secuencias de nucleótidos específicas en los silenciadores que flanquean las regiones heterocromáticas. [13] Rap1 contiene un dominio de unión a Sir3 que recluta a SIR3 a los silenciadores. [14] Una vez en los silenciadores, Sir3 recluta dímeros Sir4-Sir2 al sitio de nucleación de la cromatina. Luego, Sir2 desacetila las colas de las histonas H3 y H4, y el Sir3 libre se une a los residuos de lisina H4K16,79 ahora desacetilados y recluta dímeros Sir4-Sir2 adicionales para promover la expansión adicional del dominio de heterocromatina. [12]
Una vez que se ha extendido para cubrir un locus genómico, el SIR2,3,4 previene eficazmente la transcripción de la región que ocupa, en un proceso que se cree que depende de la oclusión física del ADN por las proteínas SIR. Recientemente, se ha demostrado que ciertos promotores son capaces de dirigir la transcripción dentro de regiones que de otro modo estarían silenciadas por las proteínas SIR. [15] Específicamente, si un promotor inducible se induce dentro de un dominio de cromatina silenciado, puede lograr un aumento de ~200x en los niveles de expresión con poco cambio detectable en las modificaciones covalentes de las histonas . [15]
SIR2 es una desacetilasa de lisina dependiente de NAD. [12] Fue el primer miembro descubierto de la familia de proteínas Sirtuin y está altamente conservada, con homólogos encontrados en organismos que van desde humanos hasta bacterias [16] y arqueas. [12] Interactúa con una variedad de sustratos proteicos, pero no exhibe una fuerte afinidad por el ADN, la cromatina u otros factores de unión a silenciadores. [12] En cambio, depende de otras proteínas SIR para encontrar su objetivo de silenciamiento apropiado. [12]
En el complejo proteico SIR, SIR2 elimina los grupos acetilo de la lisina en las colas de las histonas H3 y H4, [17] "preparando" el nucleosoma para el empaquetamiento de la cromatina por el componente SIR3 del complejo. [18]
Además de su papel canónico en el complejo SIR, SIR2 también desempeña un papel en la represión del ADNr. [19] Como parte del mecanismo de regulación de la célula, las repeticiones de ADNr se escinden del cromosoma para que no puedan expresarse. SIR2 forma un complejo con NET1 (una proteína nuclear) y CDC14 (una fosfatasa) para formar el complejo regulador del silenciamiento nucleolar y la telofase (RENT). [19] El complejo RENT secuestra el ADNr escindido en "círculos extracromosómicos", lo que impide la recombinación. La acumulación de estos círculos se ha relacionado con el envejecimiento prematuro. [12] La sirtuina 2 (SIRT2) , el análogo humano de SIR2, también se ha relacionado con enfermedades relacionadas con la edad. [16]
SIR3 está principalmente involucrado en la propagación de la heterocromatina, la actividad silenciadora del complejo proteico SIR. [12] Cuando se sobreexpresa, SIR3 conduce a la propagación más allá del sitio de nucleación normal. [12] SIR3 puede continuar operando a niveles muy bajos de SIR2 y SIR4, pero no sin ellos. [17] [18] Se une preferentemente a nucleosomas no modificados (sin acetilación en H4K16 o metilación en H3K79), y depende de la desacetilación de H4K16 por parte de SIR2 para mejorar el silenciamiento. [18] La metilación de H3K79 por la metiltransferasa DOT1 inhibe a SIR3, lo que resulta en una región de cromatina no silenciada. [17] [18] SIR3 es reclutado a la secuencia diana por los factores de transcripción RAP1 o ABF1. [12] [17]
SIR4 está involucrado en el andamiaje del ensamblaje de la cromatina silenciada. [12] [19] Se une al ADN con alta afinidad, pero baja especificidad. [19] Es más estable cuando se coexpresa con SIR2, pero ni SIR2 ni SIR3 son necesarios para que opere en los telómeros. [12] Cada mitad de la proteína SIR4 tiene responsabilidades distintas en la propagación de la heterocromatina. El extremo N de SIR4 es necesario para el silenciamiento telomérico, pero no para el silenciamiento de tipo de apareamiento homotálico (HM). [12] Por el contrario, su extremo C admite la HM pero no la represión telomérica. [12] El extremo N está cargado positivamente y puede ser reclutado al sitio de represión telomérica por SIR1 y YKU80. [12] El extremo C contiene la región de hélice enrollada, que interactúa con SIR3 en el complejo SIR heterotrimérico y también puede interactuar con RAP1 y YKU70 para el reclutamiento a la región telomérica del cromosoma. [17] El extremo C también contiene el dominio de interacción con SIR2 (SID), donde SIR4 puede unirse al extremo N extendido de SIR2. [12] SIR2 puede catalizar reacciones sin estar unido a SIR4, pero la actividad catalítica de SIR2 se mejora cuando interactúa con SIR4. [12]
Las proteínas SIR se han conservado desde la levadura hasta los humanos y dan su nombre a una clase de histonas desacetilasas de mamíferos ( sirtuinas , homólogas de Sir2). Las sirtuinas han estado implicadas en una gran cantidad de rasgos humanos, incluido el Alzheimer y la diabetes, y se ha propuesto que regulan la esperanza de vida. [16]