Un octámero de histonas es el complejo de ocho proteínas que se encuentra en el centro de una partícula del núcleo de un nucleosoma . Consiste en 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 H4, forma complejos con dos dímeros H2A / H2B. Cada histona tiene una cola N-terminal y un pliegue de histona C-terminal . Ambos componentes clave interactúan con el ADN a su manera a través de una serie de interacciones débiles, que incluyen enlaces de hidrógeno y puentes de sal.. Estas interacciones mantienen el octámero de la histona y el ADN asociado libremente y, en última instancia, permiten que los dos se reposicionen o se separen por completo.
Historia de la investigacion
Las modificaciones postraduccionales de 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 y la noción de nucleosoma se establecieron en 1973 y 1974, respectivamente. [2] Richmond y su grupo de investigación han podido dilucidar la estructura cristalina del octámero de histonas con ADN envuelto a su alrededor con una resolución de 7 Å en 1984. [3] La estructura del complejo del núcleo octamérico fue revisada siete años más tarde. y se elucidó 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 histona . [4] Además, los detalles de las interacciones proteína-proteína y proteína-ADN se ajustaron mediante estudios de cristalografía de rayos X a 2,8 y 1,9 Å, respectivamente, en la década de 2000. [5]
El octámero de histonas en detalle molecular
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 20 y 24% de lisina y arginina y el tamaño de la proteína varía entre 11400 y 15400 Dalton, lo que las convierte en proteínas relativamente pequeñas, pero 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 intermedios de histonas solamente, se forman a partir de dominios de pliegues de histonas. La formación de intermediarios de histonas sólo se produce cuando las histonas centrales se emparejan en el heterodímero cuasi-simétrico en forma de media luna entrelazada. Cada dominio de pliegue de histona 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 2 -H4 2 . [7] La formación de heterodímeros se basa en la interacción de interacciones de residuos de aminoácidos hidrófobos 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 al ADN de la 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 2 -H4 2 se envuelve con ADN a su alrededor como primer paso de la formación del nucleosoma. Luego, dos dímeros H2A-H2B se conectan al complejo ADN-H3 2 -H4 2 para formar un nucleosoma. [8]
Cada una de las cuatro histonas centrales, además de sus dominios de pliegues de histonas, también contienen extensiones flexibles y no estructuradas llamadas “colas” de histonas . [9] El tratamiento de los nucleosomas con proteasa tripsina indica que después de que se eliminan las colas de las histonas, el ADN puede permanecer fuertemente 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]
El octámero de histonas en el nucleosoma.
La partícula del núcleo del nucleosoma es la forma más básica de compactación del ADN en eucariotas . Los nucleosomas consisten en un octámero de histonas rodeado por 146 pares de bases de ADN envuelto en forma superhélice . [10] Además de compactar el ADN, el octámero de histonas juega un papel clave en la transcripción del ADN que lo rodea. El octámero de histonas interactúa con el ADN a través de sus pliegues de histonas centrales y colas N-terminales. El pliegue de las 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 de ADN, sino que estabilizan y guían el ADN envuelto 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, durante la replicación y la transcripción . Las proteínas de remodelación específicas alteran constantemente la estructura de la cromatina al romper los enlaces entre el ADN y el nucleosoma.
Interacciones de histona / ADN
Las histonas están compuestas principalmente de residuos de aminoácidos cargados positivamente, como lisina y arginina . Las cargas positivas les permiten asociarse estrechamente con el ADN cargado negativamente a través de interacciones electrostáticas. La neutralización de las cargas en el ADN permite que se empaquete de forma más compacta. [6]
Interacciones con el surco menor
La interacción de los dominios de pliegues de histonas con el surco menor explica la mayoría de las interacciones en el nucleosoma. [11] A medida que el ADN se envuelve alrededor del 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] Los enlaces de hidrógeno multiplicados por histonas con la estructura del fosfodiéster y las bases ricas en A: T. En estas interacciones, el pliegue de las histonas se une a los átomos de oxígeno y 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 las interacciones de la columna vertebral. [6] Además, 10 de las 14 veces que el surco menor se enfrenta al pliegue de la histona, se inserta una cadena lateral de arginina del pliegue de la histona en el surco menor. Las otras cuatro veces, la arginina proviene de una región de la cola de la histona. [11]
Interacciones y modificaciones de la cola
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 inter e intranucleosómicas que, en última instancia, influyen en el acceso a los genes. [12] Las histonas son moléculas cargadas positivamente que permiten una unión más estrecha a 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 de manera zurda alrededor del octámero de histonas 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; las partes de la cola más alejadas del ADN, sin embargo, funcionan de una 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 se han implicado en la estabilización de fibras de 30 nm. La investigación ha demostrado que eliminar ciertas colas evita que los nucleosomas se formen correctamente y una falla general en la producción de fibra de cromatina. [12] En total, estas asociaciones protegen el ADN nucleosómico del entorno externo, pero también reducen su accesibilidad a la replicación celular y la maquinaria transcripcional.
Remodelación y desmontaje de nucleosomas
Para acceder al ADN nucleosómico, los enlaces entre este y el octámero de histonas deben romperse. 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 de remodelación funcionan de tres formas 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. Independientemente del método, para modificar los nucleosomas, los complejos remodeladores requieren energía de la hidrólisis de ATP para impulsar sus acciones.
De las tres técnicas, el deslizamiento es la más común y la menos extrema. [13] La premisa básica de la técnica es liberar una región de ADN que el octámero de histonas normalmente se uniría fuertemente. Si bien la técnica no está bien definida, la hipótesis más destacada es que el deslizamiento se realiza en forma de "gusano de pulgada". En este método, utilizando ATP como fuente de energía, el dominio translocasas del complejo de remodelación de nucleosomas separa una pequeña región de ADN del octámero de histonas. Esta "onda" de ADN, que rompe y rehace espontáneamente los enlaces de hidrógeno a medida que avanza, se propaga por el ADN nucleosómico hasta que alcanza el último sitio de unión con el octámero de histonas. Una vez que la onda alcanza el final del octámero de histonas, el exceso que alguna vez estuvo en el borde se extiende a la región del ADN enlazador. 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]
Relevancia clínica
Numerosos informes muestran un vínculo entre las enfermedades relacionadas con la edad, los defectos de nacimiento y varios tipos de cáncer con la interrupción de ciertas modificaciones postraduccionales de las histonas. Los estudios han identificado que las colas N- y C-terminales son los principales objetivos para la acetilación, metilación, ubiquitinación y fosforilación. [15] Nuevas pruebas apuntan a varias modificaciones dentro del núcleo de las histonas. La investigación se dirige a descifrar el papel de estas modificaciones del núcleo de histonas en la interfaz histona-ADN en la cromatina. La p300 y la proteína de unión al elemento de respuesta al cAMP ( CBP ) poseen actividad histona acetiltransferasa . p300 y CBP son las enzimas histonas acetiltransferasas más promiscuas que acetilan las cuatro histonas centrales en múltiples residuos. [16] Lisina 18 y Lisina 27 en H3 fueron los únicos sitios de acetilación de histonas reducidos con 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 del nacimiento. Los embriones p300 - / - exhiben un desarrollo defectuoso del corazón. Los ratones CBP +/− muestran retraso del crecimiento, anomalías craneofaciales, neoplasias hematológicas, que no se observan en ratones con p300 +/−. [18] Se notificaron mutaciones de ambos p300 en tumores humanos como los carcinomas colorrectal, gástrico, de mama, ovárico, pulmonar y pancreático. Además, la activación o localización de dos histonas acetiltransferasas puede ser oncogénica.
Ver también
- Nucleosoma
- Histona
- Cromatina
Referencias
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enlaces externos
- HistoneDB 2.0 - Base de datos de histonas y variantes en NCBI