En biología molecular , un octámero de histona es el complejo de ocho proteínas que se encuentra en el centro de una partícula central de nucleosoma . Consta de dos copias de cada una de las cuatro proteínas histonas centrales ( H2A , H2B , H3 y H4 ). El octámero se ensambla cuando un tetrámero , que contiene dos copias de H3 y dos de H4, forma complejos con dos dímeros H2A/H2B. Cada histona tiene una cola N-terminal y un pliegue de histona C-terminal . Cada uno de estos componentes clave interactúa con el ADN a su manera a través de una serie de interacciones débiles, incluidos enlaces de hidrógeno y puentes salinos . Estas interacciones mantienen el ADN y el octámero de histonas vagamente asociados y, en última instancia, permiten que los dos se reposicionen o se separen por completo.
Las modificaciones postraduccionales de las histonas se identificaron por primera vez y se enumeraron por tener un papel regulador potencial en la síntesis de ARN en 1964. [1] Desde entonces, durante varias décadas, la teoría de la cromatina ha evolucionado. Los modelos de subunidades de cromatina, así como la noción de nucleosoma, se establecieron en 1973 y 1974, respectivamente. [2] Richmond y su grupo de investigación pudieron dilucidar la estructura cristalina del octámero de histonas con ADN envuelto alrededor de él con una resolución de 7 Å en 1984. [3] La estructura del complejo central octamérico fue revisada siete años después y se dilucidó una resolución de 3,1 Å para su cristal a una alta concentración de sal. Aunque la similitud de secuencia es baja entre las histonas centrales, cada una de las cuatro tiene un elemento repetido que consiste en una hélice-bucle-hélice llamado motivo de pliegue de histonas . [4] Además, los detalles de las interacciones proteína-proteína y proteína-ADN se perfeccionaron mediante estudios de cristalografía de rayos X a 2,8 y 1,9 Å, respectivamente, en la década de 2000. [5]
Las histonas centrales son cuatro proteínas llamadas H2A, H2B, H3 y H4 y todas se encuentran en partes iguales en la célula. Las cuatro secuencias de aminoácidos de las histonas centrales contienen entre un 20 y un 24% de lisina y arginina y el tamaño de la proteína oscila entre 11.400 y 15.400 daltons, lo que las convierte en proteínas relativamente pequeñas, aunque con una carga muy positiva. [6] El alto contenido de aminoácidos cargados positivamente les permite asociarse estrechamente con el ADN cargado negativamente . Los heterodímeros, o intermediarios de solo histonas, se forman a partir de dominios plegados de histonas. La formación de histonas intermedias únicamente se produce cuando las histonas centrales se emparejan en el heterodímero cuasisimétrico en forma de media luna entrelazada. Cada dominio de pliegue de histonas está compuesto por 3 regiones de hélice α que están separadas por bucles desordenados. El dominio de pliegue de histonas es responsable de la formación de heterodímeros de cabeza a cola de dos histonas: H2A-H2B y H3-H4. Sin embargo, las histonas H3 y H4 primero forman un heterodímero y luego, a su vez, el heterodímero se dimeriza para formar un tetrámero (H3-H4) 2 . [7] La formación de heterodímeros se basa en la interacción de residuos de aminoácidos hidrofóbicos entre las dos proteínas. [7]
La cuasi simetría permite que el heterodímero se superponga a sí mismo mediante una rotación de 180 grados alrededor de este eje de simetría. Como resultado de la rotación, dos extremos de las histonas involucradas en la unión del ADN con forma de media luna H3-H4 son equivalentes, pero organizan diferentes tramos de ADN. El dímero H2A-H2B también se pliega de manera similar. El tetrámero (H3-H4) 2 está envuelto con ADN a su alrededor como primer paso en la formación de nucleosomas. Luego se conectan dos dímeros H2A-H2B al complejo ADN-(H3-H4) 2 para formar un nucleosoma. [8]
Cada una de las cuatro histonas centrales, además de sus dominios de pliegue de histonas, también contiene extensiones flexibles y no estructuradas llamadas "colas" de histonas . [9] El tratamiento de los nucleosomas con proteasa tripsina indica que después de eliminar las colas de histonas, el ADN puede permanecer firmemente unido al nucleosoma. [6] Las colas de histonas están sujetas a una amplia gama de modificaciones que incluyen fosforilación , acetilación y metilación de residuos de serina, lisina y arginina. [6]
La partícula central del nucleosoma es la forma más básica de compactación del ADN en eucariotas . Los nucleosomas consisten en un octámero de histona rodeado por 146 pares de bases de ADN envueltos en forma de superhelicoidal . [10] Además de compactar el ADN, el octámero de histonas desempeña un papel clave en la transcripción del ADN que lo rodea. El octámero de histonas interactúa con el ADN a través de sus pliegues centrales de histonas y de sus colas N-terminales. El pliegue de histonas interactúa química y físicamente con el surco menor del ADN . Los estudios han encontrado que las histonas interactúan más favorablemente con las regiones enriquecidas con A : T que con las regiones enriquecidas con G : C en los surcos menores. [6] Las colas N-terminales no interactúan con una región específica del ADN, sino que estabilizan y guían el ADN enrollado alrededor del octámero. Sin embargo, las interacciones entre el octámero de histonas y el ADN no son permanentes. Los dos se pueden separar con bastante facilidad y, a menudo, lo son durante la replicación y la transcripción . Proteínas remodeladoras específicas alteran constantemente la estructura de la cromatina rompiendo los enlaces entre el ADN y el nucleosoma.
Las histonas están compuestas en su mayoría de residuos de aminoácidos cargados positivamente, como la lisina y la arginina . Las cargas positivas les permiten asociarse estrechamente con el ADN cargado negativamente a través de interacciones electrostáticas. Neutralizar las cargas en el ADN permite que se vuelva más compacto. [6]
La interacción de los dominios de pliegue de histonas con el surco menor representa la mayoría de las interacciones en el nucleosoma. [11] A medida que el ADN envuelve el octámero de histonas, expone su surco menor al octámero de histonas en 14 ubicaciones distintas. En estos sitios, los dos interactúan a través de una serie de enlaces débiles no covalentes. La principal fuente de enlaces proviene de los enlaces de hidrógeno, tanto directos como mediados por agua. [10] Las histonas forman enlaces de hidrógeno tanto con el esqueleto fosfodiéster como con las bases ricas en A:T. En estas interacciones, el pliegue de histonas se une a los átomos de oxígeno y a las cadenas laterales de hidroxilo , respectivamente. [11] Juntos, estos sitios tienen un total de aproximadamente 40 enlaces de hidrógeno, la mayoría de los cuales provienen de interacciones de la columna vertebral. [6] Además, 10 de las 14 veces que el surco menor se enfrenta al pliegue de histonas, se inserta una cadena lateral de arginina del pliegue de histonas en el surco menor. Las otras cuatro veces, la arginina proviene de una región de la cola de la histona. [11]
Como se mencionó anteriormente, se ha demostrado que las colas de histonas interactúan directamente con el ADN del nucleosoma. Cada histona en el octámero tiene una cola N-terminal que sobresale del núcleo de la histona. Las colas desempeñan funciones tanto en las interacciones internucleosomales como intranucleosomales que, en última instancia, influyen en el acceso a los genes. [12] Las histonas son moléculas cargadas positivamente que permiten una unión más estrecha con la molécula de ADN cargada negativamente. La reducción de la carga positiva de las proteínas histonas reduce la fuerza de unión entre la histona y el ADN, haciéndolo más abierto a la transcripción (expresión) de genes. [12] Además, estas unidades flexibles dirigen la envoltura del ADN en dirección izquierda alrededor del octámero de histona durante la formación del nucleosoma. [6] Una vez que el ADN está unido, las colas continúan interactuando con el ADN. Las partes de la cola más cercanas al enlace de hidrógeno del ADN y fortalecen la asociación del ADN con el octámero; Sin embargo, las partes de la cola más alejadas del ADN funcionan de manera muy diferente. Las enzimas celulares modifican los aminoácidos en las secciones distales de la cola para influir en la accesibilidad del ADN. Las colas también han sido implicadas en la estabilización de fibras de 30 nm. Las investigaciones han demostrado que la eliminación de ciertas colas impide que los nucleosomas se formen correctamente y, en general, no se produce fibra de cromatina. [12] En total, estas asociaciones protegen el ADN nucleosomal del entorno externo, pero también reducen su accesibilidad a la replicación celular y la maquinaria transcripcional.
Para acceder al ADN nucleosomal, se deben romper los enlaces entre éste y el octámero de histonas. Este cambio tiene lugar periódicamente en la célula a medida que se transcriben regiones específicas y ocurre en todo el genoma durante la replicación. Las proteínas remodeladoras funcionan de tres maneras distintas: pueden deslizar el ADN a lo largo de la superficie del octámero, reemplazar el dímero de histona con una variante o eliminar el octámero de histona por completo. No importa el método, para modificar los nucleosomas, los complejos de remodelación requieren energía de la hidrólisis del ATP para impulsar sus acciones.
De las tres técnicas, el deslizamiento es la más común y menos extrema. [13] La premisa básica de la técnica es liberar una región de ADN que el octámero de histona normalmente se uniría firmemente. Si bien la técnica no está bien definida, la hipótesis más destacada es que el deslizamiento se realiza en forma de "pulgada". En este método, utilizando ATP como fuente de energía, el dominio translocasa del complejo de remodelación del nucleosoma separa una pequeña región de ADN del octámero de histonas. Esta "ola" de ADN, que rompe y rehace espontáneamente los enlaces de hidrógeno a medida que avanza, luego se propaga por el ADN nucleosomal hasta llegar al último sitio de unión con el octámero de histonas. Una vez que la onda llega al final del octámero de histonas, el exceso que alguna vez estuvo en el borde se extiende a la región del ADN conector. En total, una ronda de este método mueve el octámero de histonas varios pares de bases en una dirección particular, lejos de la dirección en la que se propagó la "onda". [6] [14]
Numerosos informes muestran un vínculo entre las enfermedades relacionadas con la edad, los defectos de nacimiento y varios tipos de cáncer con la alteración de ciertas modificaciones postraduccionales de las histonas. Los estudios han identificado que las colas N y C-terminales son objetivos principales para la acetilación, metilación, ubiquitinación y fosforilación. [15] Nueva evidencia apunta a varias modificaciones dentro del núcleo de histonas. La investigación se centra en descifrar el papel de estas modificaciones del núcleo de histonas en la interfaz histona-ADN en la cromatina. p300 y la proteína de unión al elemento de respuesta ( CBP ) de AMPc poseen actividad histona acetiltransferasa . p300 y CBP son las enzimas histona acetiltransferasa más promiscuas y acetilan las cuatro histonas centrales en múltiples residuos. [16] La lisina 18 y la lisina 27 en H3 fueron los únicos sitios de acetilación de histonas reducidos tras el agotamiento de CBP y p300 en fibroblastos embrionarios de ratón. [17] Además, los ratones knockout para CBP y p300 tienen un defecto del tubo neural abierto y, por lo tanto, mueren antes de nacer. Los embriones p300-/- presentan un desarrollo defectuoso del corazón. Los ratones CBP+/− muestran retraso del crecimiento, anomalías craneofaciales y neoplasias malignas hematológicas, que no se observan en ratones con p300+/−. [18] Se han informado mutaciones de ambos p300 en tumores humanos como carcinomas colorrectales, gástricos, de mama, de ovario, de pulmón y de páncreas. Además, la activación o localización de dos histonas acetiltransferasas puede ser oncogénica.
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