Caracteristicas moleculares del control epigenetico

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Figura 1 | Euchromatin y heterocromatina. A | Estados terrestres citológicamente visibles de cromatina activa (eucromática) y reprimida (heterocromática). Representación esquemática de dos núcleos interfásicos de células somáticas femeninas de ratón: el núcleo izquierdo muestra coloración amplia y descondensada de secuencias de ADN únicas y el núcleo derecho muestra los focos heterocromáticos característicos (puntos negros) que son visualizados por DAPI (4 ', 6-diamidino- 2-fenilindol) de secuencias repetidas ricas en AT. Además, está indicado el cuerpo de Barr densamente manchado (un cromosoma X inactivo (Xi)) en la periferia nuclear. En los primeros años, los citólogos utilizaron diversos colorantes de cromatina y fluorocromos de unión al ADN para discriminar eucromática (condensación y tinción clara) de las regiones heterocromáticas (tinción compacta y densa) en la cromatina eucariótica. B |Definición enzimática de estados de cromatina que estimulan la actividad génica (histona acetilación por p55 (también conocido como Gcn5)) o reprimir la actividad del gen (metilación histona por Su (var) 3-9 homólogo 1 (SUV39H1)). En 1996, la histona acetiltransferasa nuclear (HAT) p55 de Tetrahymena thermophila se describió como un co-activador transcripcional que acetila la cola amino-terminal de la histona H3. La acetilada (Ac) lisina en H3 (H3K14ac) proporciona un sitio de acoplamiento para las proteínas accesorias que contienen el dominio bromo (Bromo) que se unen y estimulan además la accesibilidad nucleosómica y la actividad transcripcional. La acetilación histona puede ser revertida por las histonas desacetilasas opuestas (HDAC), que a menudo causan represión transcripcional. En 2000, la histona lisina metiltransferasa humana (KMT) SUV39H1 se describió como un orthologue de un Drosophila melanogaster Su (var) factor de variación de posición-efecto que metilates la histona H3 N-terminal de la cola. El H3K9 trimetilado (H3K9me3) proporciona un sitio de acoplamiento para la cromo-cromo (Chromo) que contiene la proteína heterocromatina 1 (HP1), que luego perjudica la accesibilidad de los nucleosomas e induce la represión genética. La reversibilidad de la metilación de lisina histona no se conocía en ese momento.

El nucleosoma. Los estudios de muchos grupos llevaron al modelo ampliamente aceptado de organización nucleosómica de la cromatina, que se articuló primero en una teoría provocativa -el modelo de la subunidad de la cromatina- presentada en 1974 (REF.22) y visualizada por la estructura cristalina de rayos X La partícula histona octamer-DNA en 1997 (REF.23). Como se demostró, la unidad básica de la fibra de la cromatina es la partícula núcleo nuclear, que está compuesta por dos copias de cada una de cuatro proteínas histonas (un octamer de histonas) que empaqueta 147 pb de ADN.

Modificaciones histonas. A mediados de los años sesenta, el trabajo pionero de Allfrey sobre las modificaciones de las histonas, en particular la acetilación de las histonas, llevó a la hipótesis de que la acetilación está estrechamente relacionada con la actividad génica. Se siguieron muchos estudios, incluyendo estudios de Grunstein y otros sobre mutaciones de cola histona en Saccharomyces cerevisiae que perturban el silenciamiento de genes en los telómeros y los loci del tipo de apareamiento; Este trabajo seminal proporcionó evidencia funcional temprana, incluyendo la primera caracterización de las proteínas silenciosas reguladoras de la información. El desarrollo de anticuerpos específicos de modificación o sitio (por ejemplo, histona 4 lisina 16 acetilación (H4K16ac)) por Turner y otros documentaron patrones no aleatorios de acetilación de histonas, tales como hipoacetilación del cromosoma X inactivo en mamíferos hembras o el apareamiento silencioso Así como la hiperacetilación del doble cromosoma X upregulated en los machos de D. melanogaster o los genes de la β-globina expresada en los glóbulos rojos de pollo.

Estos grandes descubrimientos hicieron un argumento convincente de que las modificaciones de las histonas, además de la metodología del ADN, llevan información que puede distinguir la euchromatina de la heterocromatina. Las poderosas pantallas genéticas en moscas de levadura y plantas habían identificado otros factores clave para la regulación génica dependiente de la cromatina, como la proteína heterocromatina 1 (HP1), Supresor de la variegación 3 -9 (Su (var) 3-9), Enhancer of zeste )), Polycomb, Trithorax, cryptic loci regulador 4 (Clr4) y la DNA MEJORACIÓN DE LA MEJACIÓN 1 (DDM1). Sin embargo, la función molecular de estos factores de cromatina y cómo la cromatina puede 'cambiar' entre estados eucromáticos y heterocromáticos permaneció desconocido.

Definición enzimática de los estados de cromatina.

Actividad génica y eucromatina. En 1996, utilizando el modelo protozoario ciliado, Tetrahymena thermophila, Allis y sus colegas combinaron enfoques bioquímicos con un ensayo in-gel para purificar y clonar el primer gen que codifica una histona acetiltransferasa asociada a la transcripción (HAT) a partir de macronúcleos - el núcleo activo en este organismo . Sorprendentemente, este HAT ciliado (p55) era un ortólogo del co-activador transcripcional Gcn5 previamente descrito de la levadura en ciernes, proporcionando un enlace directo entre la acetilación de las histonas y la actividad del gen, y la enzima Gcn5 de la levadura mostró también exhibir actividad HAT (Figuras 1b, 2 ). Curiosamente, la enzima ciliada contenía residuos del sitio activo encontrados en otras acetiltransferasas (por ejemplo, Hat1 citoplásmico en levadura) y un bromodominio altamente conservado, que fue sugerido por Allis y colegas para dirigir el reclutamiento de cromatina de maneras que permanecieron poco claras en ese momento. La evidencia concluyente de que la acetilación de histonas dirigida por Gcn5 conduce a la activación génica fue proporcionada en estudios posteriores por Allis y su equipo. Se identificaron otros HATs, entre los que se incluyen la TFIID subunidad 1 de factor TFIID asociado a la proteína de unión a TATA (TAF1, también conocida como TAF (II) 250) asociado a p300 / CBP (PCAF) y CBP / p300 (proteína de unión a CREB y p300) Confirmando y extendiendo este paradigma a las células de mamíferos.

Aproximadamente un mes después de la publicación de los resultados del HAT p55-Gcn5, Schreiber y sus colegas informaron la purificación y clonación de la primera histona deacetylase (HDAC), que habían identificado mediante una matriz de afinidad usando el HDAC inhibidor (HDACi) trapoxina. Sorprendentemente, se encontró que la proteína unida a la trapoxina de mamífero era un ortólogo del co-represor transcripcional