HMGN ( alta Grupo de Movilidad Nucleosoma vinculante ) las proteínas son miembros de la clase más amplia de alta grupo de movilidad proteínas cromosómicas (HMG) que están involucrados en la regulación de la transcripción , la replicación , la recombinación y reparación del ADN .
HMGN1 y HMGN2 (inicialmente designados HMG-14 y HMG-17 respectivamente) fueron descubiertos por el grupo de investigación de EW Johns a principios de la década de 1970. [1] HMGN3 , HMGN4 y HMGN5 se descubrieron más tarde y son menos abundantes. Las HMGN son proteínas de unión a nucleosomas que ayudan en la transcripción, replicación, recombinación y reparación del ADN. También pueden alterar el panorama epigenético de la cromatina , ayudando a estabilizar la identidad celular. [2] Todavía se sabe relativamente poco sobre su estructura y función. [1] Las proteínas HMGN se encuentran en todos los vertebrados y desempeñan un papel en la estructura de la cromatina y la modificación de histonas .[3] Los HMGN vienen en largas cadenas de aminoácidos, que contienen alrededor de 100 para HMGN1-4 y aproximadamente 200 en HMGN5. [3] La investigación reciente sobre la familia HMGN se centra en su efecto sobre la identidad celular y cómo la reducción de HMGN se relaciona con la reprogramación inducida de fibroblastos embrionarios de ratón (MEF). [2]
Función
Gran parte de la investigación que se ha realizado sobre las proteínas HMGN se ha realizado in vitro, mientras que hay relativamente poca información sobre la función in vivo y los roles de las proteínas HMGN.
Debido a que estas proteínas se encuentran predominantemente en eucariotas superiores, el uso de microorganismos y otros eucariotas inferiores se ha considerado insuficiente para determinar las funciones in vivo de las proteínas HMGN. [4] Se realizó un estudio con ratones knockout para ver el efecto que tienen las proteínas HMGN a nivel de organismo completo. Esto dio como resultado que los ratones mostraran una mayor sensibilidad a la radiación UV cuando tenían niveles de HMGN inferiores a los normales (2). Esto indicaría que la HMGN podría facilitar la reparación del daño causado por los rayos ultravioleta. Se observó el mismo aumento en la sensibilidad en ratones cuando se expusieron a radiación gamma; sin embargo, los procesos celulares que reparan el ADN en ambos casos son drásticamente diferentes, lo que lleva a un estado no concluyente sobre si las proteínas HMGN facilitan la reparación del ADN in vivo. [5]
HMGN1 y HMGN2 no se co-localizan dentro de las células vivas. [4] Esto es una indicación de las posibles funciones diferentes de cada HMGN. [4]
Familia
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Las proteínas HMGN son parte de un grupo más amplio de proteínas denominadas proteínas cromosómicas del grupo de alta movilidad (HMG). Este grupo más grande recibió este nombre por su alta movilidad electroforética en geles de poliacrilamida y se diferencia en 3 grupos distintos pero relacionados, uno de ellos son las proteínas HMGN. [7] La familia de HMGN se puede dividir en proteínas específicas, que son HMGN1, HMGN2, HMGN3, HMGN4 y HMGN5. Los tamaños generales de las proteínas varían para cada uno específico, pero HMGN1-4 tiene un promedio de 100 aminoácidos. [1] Mientras que las proteínas HMGN5 más grandes tienen más de 300 aminoácidos en ratones y aproximadamente 200 en humanos. [3]
HMGN 1 y HMGN 2
HMGN1 y HMGN2 se encuentran entre las proteínas HMGN más comunes. El propósito y la función principales son reducir la compactación de la cromatina celular mediante la unión de nucleosomas. [8] La evidencia de RMN muestra que la reducción de la compactación ocurre cuando las proteínas se dirigen a los elementos principales responsables de la compactación de la cromatina. [1] Estos tienen tasas de expresión que se correlacionan con la diferenciación de las células en las que está presente. Las áreas que han experimentado diferenciación tienen niveles de expresión reducidos en comparación con las áreas indiferenciadas, donde HMGN1 y HMGN2 se expresan en gran medida. [8]
HMGN 3
HMGN3 tiene dos variantes, HMGN3a y HMGN3b. [1] A diferencia de las proteínas HMGN1 y HMGN2, ambas formas de HMGN3 tienden a ser específicas de tejido y desarrollo. [1] Solo se expresan en ciertos tejidos en etapas específicas de desarrollo. No hay preferencia por un determinado tejido dado por las dos variantes de las proteínas HMGN3. Existe la misma probabilidad de que esté presente en un determinado tejido de HMGN3 altamente expresado. [8] El cerebro y los ojos en particular son áreas en las que HMGN3 se expresa en gran medida, así como en las células de los islotes pancreáticos adultos. [1] Se ha demostrado que la pérdida de HMGN3 en ratones ha provocado una aparición leve de diabetes debido a una secreción ineficaz de insulina. [9]
HMGN 4
El descubrimiento de HMGN4 fue realizado por GenBank durante una búsqueda en la base de datos y lo identificó como una "nueva transcripción similar a HMGN2", lo que indica que HMGN4 está estrechamente relacionado con HMGN2. [1] Se han realizado muy pocas investigaciones sobre las proteínas HMGN4. El gen asociado con la producción del HMGN4 se encuentra en una región asociada con la esquizofrenia en el cromosoma 6. [8] Hasta este punto, se han identificado todos los tipos de HMGN en los vertebrados, pero el HMGN4 solo se ha visto e identificado en primates. [1] En los seres humanos, HMGN4 ha mostrado altos niveles de expresión en la tiroides, el timo y los ganglios linfáticos. [1]
HMGN 5
La adición más reciente a la familia de proteínas HMGN es HMGN5. Es más grande que los HMGN anteriores, y contiene más de 300 aminoácidos, debido a un dominio C-terminal largo que varía según la especie, lo que explica por qué los ratones y los humanos tienen un tamaño diferente de HMGN5. [1] Se desconoce su función biológica, pero ha mostrado expresión en el desarrollo placentario. [8] También ha habido casos en los que HMGN5 estaba presente en tumores humanos, incluidos cáncer de próstata, cáncer de mama, cáncer de pulmón, etc. [1] Por esta razón, se cree que HMGN5 podría tener algún vínculo con el cáncer y podría ser un objetivo potencial para la terapia del cáncer en el futuro.
Unión de proteínas HMGN a cromatina
La ubicación de HMGN durante la mitosis es objeto de varios estudios. Es muy difícil fechar su organización intranuclear durante las distintas etapas del ciclo celular. Existe una superfamilia de proteínas nucleares ubicuas y abundantes que se unen a la cromatina sin ninguna secuencia de ADN conocida, que se compone de las familias HMGA, HMBG y HMGN. La HMGA está asociada con la cromatina a lo largo del ciclo celular, ubicada en el andamio del cromosoma en metafase. Tanto HMGB como HMGN están asociados con el cromosoma mitótico. Las interacciones de todas las HMG con la cromatina son muy dinámicas, las proteínas se mueven constantemente por todo el núcleo.
Los nucleosomas de la muestra para los sitios de unión potenciales de una manera de "parar y seguir", siendo el paso de "parar" más largo que el paso de "seguir". Mediante el uso de estudios de inmunofluorescencia, imágenes de células vivas, ensayos de cambio de movilidad en gel y complementación de fluorescencia bimolecular, se determinó lo anterior y también comparando las propiedades de unión a cromatina de proteínas mutantes de tipo salvaje y HMGN. En conclusión, las HMGN pueden asociarse con la cromatina mitótica. Sin embargo, la unión de HMGN a la cromatina mitótica no depende de un dominio de unión nucleosomal de HMGN funcional, y es más débil que la unión a nucleosomas en interfase en los que las HMGN forman complejos específicos con nucleosomas. [10]
Competencia H1 y remodelación de cromatina
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Los nucleosomas sirven como núcleo proteico (hecho de 8 histonas) para que el ADN se envuelva, funcionando como base para las estructuras de cromatina más grandes y más condensadas de los cromosomas. Las proteínas HMGN compiten con la histona H1 (histona enlazadora que no forma parte del nucleosoma central) por los sitios de unión del nucleosoma. [11] Una vez ocupada, una proteína no puede desplazar a la otra. Sin embargo, ambas proteínas no están asociadas permanentemente a los nucleosomas y pueden eliminarse mediante modificaciones postranscripcionales. En el caso de las proteínas HMGN, la proteína quinasa C (PKC) puede fosforilar los aminoácidos de serina en el dominio de unión al nucleosoma presente en todas las variantes de HMGN. [12] Esto le da a las HMGN un carácter móvil, ya que son continuamente capaces de unirse y separarse de los nucleosomas dependiendo del entorno intracelular y la señalización.
La competencia activa entre HMGN y H1 desempeña un papel activo en la remodelación de la cromatina y, como resultado, desempeña un papel en el ciclo celular y la diferenciación celular, donde la compactación y descompactación de la cromatina determinan si ciertos genes se expresan o no. La acetilación de histonas suele asociarse con cromatina abierta, y la metilación de histonas suele asociarse con cromatina cerrada.
Con el uso de la secuenciación de ChIP es posible estudiar el ADN emparejado con proteínas para determinar qué tipo de modificaciones de histonas están presentes cuando los nucleosomas se unen a H1 o HMGN. Usando este método, se encontró que la presencia de H1 correspondía a niveles altos de H3K27me3 y H3K4me3, lo que significa que la histona H3 está fuertemente metilada, lo que sugiere que la estructura de la cromatina está cerrada. [13] También se encontró que la presencia de HMGN correspondía a altos niveles de H3K27ac y H3K4me1 , lo que significa a la inversa que la metilación de la histona H3 se reduce considerablemente, lo que sugiere que la estructura de la cromatina está abierta. [13]
Actividad transcripcional y diferenciación celular
Compensación funcional
Si bien todavía se está investigando el papel de las HMGN, está claro que la ausencia de HMGN en los estudios de knock out (KO) y knock down (KD) resulta en una diferencia significativa de la actividad transcripcional total de una célula. Se han realizado varios estudios de transcriptomas que muestran que otros genes no están regulados o están regulados negativamente debido a la ausencia de HMGN.
Curiosamente, en el caso de HMGN1 y 2, solo la eliminación de HMGN1 o HMGN2 produce cambios en solo unos pocos genes. Pero cuando eliminas tanto HMGN1 como 2, hay un efecto mucho más pronunciado con respecto a los cambios en la actividad genética. Por ejemplo, en el cerebro de los ratones, cuando solo se eliminó HMGN1, solo 1 gen estaba regulado al alza, cuando solo se eliminó HMGN2, 19 genes se regularon al alza y 29 se regularon a la baja. Pero cuando ambos HMGN1 y 2 se eliminan, 50 genes se regulan al alza y 41 se regulan a la baja. [13] Si simplemente contabilizara los totales de los nocauts de HMGN1 y HMGN2, no obtendría los mismos resultados que un HMGN1 & 2 DKO (doble nocaut).
Esto se describe como compensación funcional ya que tanto HMGN1 como HMGN2 son solo ligeramente diferentes en términos de estructura proteica y esencialmente hacen lo mismo. Tienen en gran parte la misma afinidad por los sitios de unión nucleosómica. Eso significa que muchas veces si HMGN1 está ausente, HMGN2 puede completar y viceversa. Usando ChIP-seq, se encontró que en los cromosomas de ratones había 16.5K sitios donde HMGN1 y 2 podían unirse, 14.6K sitios que tenían preferencia por HMGN1 y solo 6.4K sitios que tenían preferencia por HMGN2. Las diferencias en la actividad de HMGN1 y HMGN2 son pronunciadas en el cerebro, el timo, el hígado y el bazo, lo que sugiere que las variantes de HMGN también tienen funciones especializadas además de su funcionalidad superpuesta. [13]
Desarrollo ocular
Esta funcionalidad superpuesta puede parecer redundante o incluso perjudicial, sin embargo, estas proteínas son parte integral de varios procesos celulares, especialmente la diferenciación y la embriogénesis, ya que proporciona un medio para el modelado dinámico de la cromatina. Por ejemplo, en embriones de ratones, durante el desarrollo ocular HMGN1,2 y 3. [14] La expresión de HMGN1 aumenta durante las etapas iniciales del desarrollo del ojo en las células progenitoras, pero disminuye en las células recién formadas y predestinadas, como las células de la fibra del cristalino. Por el contrario, la HMGN2 permanece elevada tanto en las células oculares embrionarias como en las adultas. Se encontró que la HMGN3 estaba especialmente elevada a las 2 semanas (para un ratón adulto) en las células nucleares y ganglionares internas. Esto muestra que hay una distribución desigual de HMGN en células adultas y predestinadas.
Desarrollo del cerebro / SNC
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En el desarrollo del cerebro humano, se ha demostrado que las HMGN son un componente crítico de la diferenciación neural y están elevadas en las células madre neurales (células progenitoras neurales). Por ejemplo, en un estudio de derribo, la pérdida de HMGN1, 2 y 3 resultó en una menor población de células de astrocitos y una mayor población de células progenitoras neurales. [15]
En la diferenciación de oligodendrocitos, los HMGN son críticos, ya que cuando ambos HMGN1 y 2 se eliminan, la población de oligodendrocitos en el tejido espinal se redujo en un 65%. [16] Sin embargo, debido a la compensación funcional, este efecto no se observa cuando solo se golpean HMGN1 o HMGN2. Esta observación no es solo una correlación. Con el análisis de ChIP-seq se muestra que el modelado de cromatina en los genes OLIG1 y 2 (factores de transcripción involucrados en la diferenciación de oligodendrocitos) está en una conformación abierta y tiene HMGN unidos a los nucleosomas.
Se puede inferir que esta redundancia es realmente beneficiosa ya que la presencia de al menos una variante de HMGN mejora enormemente la diferenciación y el desarrollo de tejidos. Estos hallazgos se resumen en la figura de la derecha.
Ver también
- Grupo de alta movilidad
Referencias
- ^ a b c d e f g h i j k l González-Romero R, Eirín-López JM, Ausió J (enero de 2015). "Evolución de proteínas de unión a nucleosomas del grupo de alta movilidad y sus implicaciones para la especialización de cromatina de vertebrados" . Biología Molecular y Evolución . 32 (1): 121–31. doi : 10.1093 / molbev / msu280 . PMC 4271525 . PMID 25281808 .
- ^ a b He B, Deng T, Zhu I, Furusawa T, Zhang S, Tang W, Postnikov Y, Ambs S, Li CC, Livak F, Landsman D, Bustin M (diciembre de 2018). "La unión de proteínas HMGN a potenciadores específicos de células estabiliza la identidad celular" . Comunicaciones de la naturaleza . 9 (1): 5240. Bibcode : 2018NatCo ... 9.5240H . doi : 10.1038 / s41467-018-07687-9 . PMC 6286339 . PMID 30532006 .
- ^ a b c Kugler JE, Deng T, Bustin M (julio de 2012). "La familia HMGN de proteínas de unión a cromatina: moduladores dinámicos de procesos epigenéticos" . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Mecanismos reguladores de genes . 1819 (7): 652–6. doi : 10.1016 / j.bbagrm.2012.01.013 . PMC 3371129 . PMID 22326857 .
- ^ a b c West KL (diciembre de 2004). "Las proteínas HMGN juegan un papel en la reparación del ADN y la expresión génica en células de mamíferos". Transacciones de la sociedad bioquímica . 32 (Pt 6): 918–9. doi : 10.1042 / BST0320918 . PMID 15506924 .
- ^ Postnikov Y, Bustin M (enero de 2010). "Regulación de la estructura y función de la cromatina por proteínas HMGN" . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Mecanismos reguladores de genes . 1799 (1–2): 62–8. doi : 10.1016 / j.bbagrm.2009.11.016 . PMC 2818575 . PMID 19948260 .
- ^ Cherukuri, Srujana; Furusawa, Takashi (enero de 2010). "Función de desarrollo de proteínas HMGN" . Biochim Biophys Acta . 1799 (1–2): 69–73. doi : 10.1016 / j.bbagrm.2009.11.011 . PMC 2818498 . PMID 20123069 .
- ^ Bustin M (marzo de 2001). "Nomenclatura revisada para proteínas cromosómicas del grupo de alta movilidad (HMG)". Tendencias en Ciencias Bioquímicas . 26 (3): 152–3. doi : 10.1016 / s0968-0004 (00) 01777-1 . PMID 11246012 .
- ^ a b c d e Furusawa T, Cherukuri S (enero de 2010). "Función de desarrollo de las proteínas HMGN" . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Mecanismos reguladores de genes . 1799 (1–2): 69–73. doi : 10.1016 / j.bbagrm.2009.11.011 . PMC 2818498 . PMID 20123069 .
- ^ Ueda T, Furusawa T, Kurahashi T, Tessarollo L, Bustin M (octubre de 2009). "La proteína de unión al nucleosoma HMGN3 modula el perfil de transcripción de las células beta pancreáticas y afecta la secreción de insulina" . Biología Molecular y Celular . 29 (19): 5264–76. doi : 10.1128 / MCB.00526-09 . PMC 2747976 . PMID 19651901 .
- ^ Cherukuri S, Hock R, Ueda T, Catez F, Rochman M, Bustin M (mayo de 2008). "Unión dependiente del ciclo celular de las proteínas HMGN a la cromatina" . Biología molecular de la célula . 19 (5): 1816–24. doi : 10.1091 / mbc.E07-10-1018 . PMC 2366855 . PMID 18287527 .
- ^ Catez F, Brown DT, Misteli T, Bustin M (agosto de 2002). "Competencia entre las proteínas de la histona H1 y HMGN por los sitios de unión de la cromatina" . Informes EMBO . 3 (8): 760–6. doi : 10.1093 / embo-reports / kvf156 . PMC 1084210 . PMID 12151335 .
- ^ Catez F, Lim JH, Hock R, Postnikov YV, Bustin M (junio de 2003). "Dinámica de la HMGN y función de la cromatina". Bioquímica y Biología Celular . 81 (3): 113–22. doi : 10.1139 / o03-040 . PMID 12897844 .
- ^ a b c d Deng T, Zhu ZI, Zhang S, Postnikov Y, Huang D, Horsch M, Furusawa T, Beckers J, Rozman J, Klingenspor M, Amarie O, Graw J, Rathkolb B, Wolf E, Adler T, Busch DH, Gailus- Durner V, Fuchs H, Hrabě de Angelis M, van der Velde A, Tessarollo L, Ovcherenko I, Landsman D, Bustin M (septiembre de 2015). "La compensación funcional entre las variantes de HMGN modula los sitios hipersensibles a la DNasa I en los potenciadores" . Investigación del genoma . 25 (9): 1295–308. doi : 10.1101 / gr.192229.115 . PMC 4561489 . PMID 26156321 .
- ^ Lucey, Michelle (julio de 2008). "Expresión diferencial de la familia HMGN de proteínas de cromatina durante el desarrollo ocular" . Patrones de expresión genética . 8 (6): 433–437. doi : 10.1016 / j.gep.2008.04.002 . PMC 2525792 . PMID 18502697 .
- ^ Nagao, Motoshi (28 de julio de 2014). "Las proteínas de la familia de unión a nucleosomas del grupo de alta movilidad promueven la diferenciación de astrocitos de las células precursoras neurales" . Células madre . 32 (11): 2983–2997. doi : 10.1002 / madre.1787 . PMID 25069414 .
- ^ Bustin, Michael (6 de diciembre de 2016). "La interacción entre H1 y HMGN regula epigenéticamente la expresión de OLIG1 y 2 y la diferenciación de oligodendrocitos" . Investigación de ácidos nucleicos . 45 (6): 3031–3045. doi : 10.1093 / nar / gkw1222 . PMC 5389484 . PMID 27923998 .
enlaces externos
- HMGN + Proteins en los encabezados de temas médicos (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .