H3K4me3 es una modificación epigenética de la proteína de empaquetamiento de ADN Histona H3 . Es una marca que indica el tri- metilación en la cuarta lisina residuo de la proteína de histona H3 y, a menudo participa en la regulación de la expresión génica . [1] El nombre denota la adición de tres grupos metilo ( trimetilación ) a la lisina 4 en la proteína histona H3 .
H3 se utiliza para empaquetar el ADN en células eucariotas (incluidas las células humanas) y las modificaciones de la histona alteran la accesibilidad de los genes para la transcripción. H3K4me3 se asocia comúnmente con la activación de la transcripción de genes cercanos. La trimetilación de H3K4 regula la expresión génica a través de la remodelación de la cromatina por el complejo NURF . [2] Esto hace que el ADN de la cromatina sea más accesible para los factores de transcripción , lo que permite que los genes se transcriban y expresen en la célula. Más específicamente, se encuentra que H3K4me3 regula positivamente la transcripción al traerhistonas acetilasas y enzimas remodeladoras de nucleosomas (NURF). [3] H3K4me3 también juega un papel importante en la regulación genética de la potencia y el linaje de las células madre . [4] Esto se debe a que esta modificación de histonas se encuentra más en áreas del ADN que están asociadas con el desarrollo y el establecimiento de la identidad celular. [5]
Nomenclatura
H3K4me1 indica monometilación de lisina 4 en la subunidad de la proteína histona H3:
Abbr. | Significado |
H3 | Familia de histonas H3 |
K | abreviatura estándar de lisina |
4 | posición del residuo de aminoácido (contando desde el extremo N) |
me | grupo metilo |
3 | número de grupos metilo añadidos |
Metilación de lisina
Este diagrama muestra la metilación progresiva de un residuo de lisina. La trimetilación denota la metilación presente en H3K4me3.
La modificación H3K4me3 se crea mediante una histona metiltransferasa (HMT) específica de lisina que transfiere tres grupos metilo a la histona H3. [6] H3K4me3 está metilado por complejos de metiltransferasa que contienen una proteína WDR5 , que contiene el motivo de la proteína de repetición WD40 . [7] WDR5 se asocia específicamente con H3K4 dimetilado y permite una mayor metilación por metiltransferasas, lo que permite la creación y lectura de la modificación de H3K4me3. [8] Se ha demostrado que la actividad de WDR5 es necesaria para los genes del desarrollo, como los genes Hox , que están regulados por la metilación de histonas. [7]
Marcador epigenético
H3K4me3 es una modificación de histona de uso común. H3K4me3 es una de las modificaciones de histonas menos abundantes; sin embargo, está altamente enriquecido en los promotores activos cerca de los sitios de inicio de la transcripción (TSS) [9] y se correlaciona positivamente con la transcripción. H3K4me3 se usa como código de histona o marca de histona en estudios epigenéticos (generalmente identificados mediante inmunoprecipitación de cromatina ) para identificar promotores de genes activos .
H3K4me3 promueve la activación de genes a través de la acción del complejo NURF, un complejo proteico que actúa a través del motivo proteico del dedo PHD para remodelar la cromatina. [2] Esto hace que el ADN de la cromatina sea accesible para los factores de transcripción , lo que permite que los genes se transcriban y expresen en la célula.
Comprender las modificaciones de histonas
El ADN genómico de las células eucariotas se envuelve alrededor de moléculas de proteínas especiales conocidas como histonas . Los complejos formados por el bucle del ADN se conocen como cromatina . La unidad estructural básica de la cromatina es el nucleosoma : este consiste en el octámero central de las histonas (H2A, H2B, H3 y H4), así como una histona enlazadora y aproximadamente 180 pares de bases de ADN. Estas histonas centrales son ricas en residuos de lisina y arginina. El extremo carboxilo (C) terminal de estas histonas contribuye a las interacciones histona-histona, así como a las interacciones histona-ADN. Las colas cargadas del terminal amino (N) son el sitio de las modificaciones postraduccionales, como la que se observa en H3K4me1. [10] [11]
Papel en las células madre y la embriogénesis
La regulación de la expresión génica a través de H3K4me3 juega un papel importante en la determinación del destino de las células madre y el desarrollo temprano del embrión. Las células pluripotentes tienen patrones distintivos de metilación que pueden identificarse mediante ChIP-seq . Esto es importante en el desarrollo de células madre pluripotentes inducidas . Una forma de encontrar indicadores de inducción pluripotente exitosa es comparando el patrón epigenético con el de las células madre embrionarias . [12]
En la cromatina bivalente , H3K4me3 se localiza conjuntamente con la modificación represiva H3K27me3 para controlar la regulación génica. [13] H3K4me3 en células embrionarias es parte de un sistema de cromatina bivalente, en el que las regiones de ADN se marcan simultáneamente con metilaciones de histonas activantes y reprimidas. [13] Se cree que esto permite un sistema flexible de expresión génica, en el que los genes se reprimen principalmente, pero pueden expresarse rápidamente debido a H3K4me3 a medida que la célula avanza en el desarrollo. [14] Estas regiones tienden a coincidir con genes de factores de transcripción expresados en niveles bajos. [14] Algunos de estos factores, como los genes Hox , son esenciales para controlar el desarrollo y la diferenciación celular durante la embriogénesis . [2] [14]
Reparación de ADN
H3K4me3 está presente en sitios de roturas de doble cadena de ADN donde promueve la reparación por la vía de unión de extremos no homólogos . [15] Se ha implicado que la unión de H3K4me3 es necesaria para la función de genes como el inhibidor de la proteína de crecimiento 1 (ING1) , que actúa como supresor de tumores y promulga mecanismos de reparación del ADN. [dieciséis]
Cuando se produce un daño en el ADN, la señalización y reparación del daño del ADN comienza como resultado de la modificación de las histonas dentro de la cromatina. Mecánicamente, la desmetilación de H3K4me3 se utiliza necesaria para la unión de proteínas específicas y el reclutamiento para dañar el ADN [17].
Implicaciones epigenéticas
La modificación postraduccional de las colas de histonas por complejos modificadores de histonas o complejos remodeladores de cromatina es interpretada por la célula y conduce a una salida transcripcional combinatoria compleja. Se cree que un código de histonas dicta la expresión de genes mediante una interacción compleja entre las histonas en una región en particular. [18] La comprensión e interpretación actuales de las histonas proviene de dos proyectos a gran escala: ENCODE y la hoja de ruta Epigenómica. [19] El propósito del estudio epigenómico fue investigar los cambios epigenéticos en todo el genoma. Esto condujo a estados de cromatina que definen regiones genómicas agrupando las interacciones de diferentes proteínas y / o modificaciones de histonas. Los estados de cromatina se investigaron en células de Drosophila observando la ubicación de unión de proteínas en el genoma. El uso de la secuenciación de ChIP reveló regiones en el genoma caracterizadas por diferentes bandas. [20] También se perfilaron diferentes etapas de desarrollo en Drosophila, se hizo hincapié en la relevancia de la modificación de histonas. [21] Una mirada a los datos obtenidos condujo a la definición de estados de cromatina basados en modificaciones de histonas. [22] Se cartografiaron ciertas modificaciones y se observó que el enriquecimiento se localizaba en ciertas regiones genómicas. Se encontraron cinco modificaciones de histonas centrales, cada una de las cuales estaba vinculada a varias funciones celulares.
- Potenciadores imprimados con H3K4me1
- Promotores H3K4me3
- H3K36me3 cuerpos -Gene
- H3K27me3 -represión de policarbonato
- H3K9me3 -heterochromatin
El genoma humano se anotó con estados de cromatina. Estos estados anotados se pueden utilizar como nuevas formas de anotar un genoma independientemente de la secuencia del genoma subyacente. Esta independencia de la secuencia de ADN refuerza la naturaleza epigenética de las modificaciones de histonas. Los estados de cromatina también son útiles para identificar elementos reguladores que no tienen una secuencia definida, como los potenciadores . Este nivel adicional de anotación permite una comprensión más profunda de la regulación de genes específicos de la célula. [23]
Métodos
La marca de histona H3K4me3 se puede detectar de varias formas:
1. La secuenciación de inmunoprecipitación de cromatina (secuenciación de ChIP ) mide la cantidad de enriquecimiento de ADN una vez que se une a una proteína objetivo y se inmunoprecipita . Da como resultado una buena optimización y se utiliza in vivo para revelar la unión ADN-proteína que se produce en las células. ChIP-Seq se puede utilizar para identificar y cuantificar varios fragmentos de ADN para diferentes modificaciones de histonas a lo largo de una región genómica. [24]
2. La secuenciación de nucleasas microcócicas ( MNase-seq ) se usa para investigar regiones que están unidas por nucleosomas bien posicionados. El uso de la enzima nucleasa microcócica se emplea para identificar la posición de los nucleosomas. Se observa que los nucleosomas bien posicionados tienen un enriquecimiento de secuencias. [25]
3. El ensayo de secuenciación de cromatina accesible a transposasa ( ATAC-seq ) se utiliza para buscar regiones libres de nucleosomas (cromatina abierta). Utiliza transposón Tn5 hiperactivo para resaltar la localización del nucleosoma. [26] [27] [28]
Ver también
- Metanfetamina # Adicción
- Metilación de histonas
- Histona metiltransferasa
- Metilisina
Referencias
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