Desafiando el modelo: expresión génica sin las marcas canónicas de las histonas

 

Sílvia Pérez-Lluch1,2,3, Roderic Guigó1,2, Montserrat Corominas3

(1) Centre de Regulació Genòmica (CRG), Dr. Aiguader 88, 08003, Barcelona.

(2) Universitat Pompeu Fabra (UPF), Dr. Aiguader 88, 08003, Barcelona.

(3) Universitat de Barcelona (UB) y Institut de Biomedicina de la Universitat de Barcelona (IBUB), Av. Diagonal 643, 08028, Barcelona.

 

modificaciones de histonas. Imagen: Protein Data Base- 1AOI, visualizada con QuteMol (http://qutemol.sourceforge.net).

Las histonas son las proteínas centrales del nucleosoma, alrededor de las que se empaqueta el ADN (en verde), Su modificación puede alterar la accesibilidad del ADN por parte de la maquinaria de expresión génica. Imagen: Protein Data Base- 1AOI, visualizada con QuteMol (http://qutemol.sourceforge.net).

Las células de un organismo pluricelular contienen idéntico material genético pero se organizan en estructuras con funciones muy diversas. Las diferencias entre los distintos tipos celulares se deben a la expresión diferencial de sus genes, consecuencia de la interacción de diversos componentes como los factores de transcripción, encargados de reclutar y/o interaccionar con la maquinaria de transcripción para promover la activación o represión del gen, y las modificaciones de la cromatina, principalmente las modificaciones postraduccionales de las histonas, las proteínas que interaccionan con el DNA y contribuyen a su empaquetamiento. Alteraciones de los patrones de modificaciones de las histonas se han relacionado con enfermedades tales como la diabetes, el cáncer o enfermedades neurodegenerativas, entre otras. Si bien estas enfermedades pueden ser causadas por mutaciones en la cadena de DNA, el interés en el estudio de las modificaciones de la cromatina reside en el hecho de éstas que son reversibles y que pueden ser tratadas con fármacos.

Las modificaciones de las histonas ocurren en sus colas protuberantes, son muy diversas (acetilación, metilación, fosforilación, etc.) y tienen funciones tales como activación y silenciamiento génico, reparación del ADN, etc. Hay ciertas modificaciones, como la trimetilación de las lisinas en posicion 4 y 36 de la cadena polipeptídica de la histona H3 (H3K4me3 y H3K36me3, respectivamente) que se han asociado clásicamente con la expresión de los genes que controlan, mientras otras, como la trimetilación de las lisinas 9 y 27 de la histona H3 (H3K9me3 y H3K27me3, respectivamente), se han relacionado con el silenciamiento génico.

En nuestro estudio, recientemente publicado en Nature Genetics (Pérez-Lluch, 2015), hemos observado que hay determinados genes que parecen no responder a este modelo clásico de regulación. Utilizando la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster) como modelo hemos identificado una clase de genes regulados a lo largo del desarrollo cuya expresión se activa de forma temporal sin presentar las modificaciones canónicas de activación génica.

modificaciones de histonas. Imagen: Drosophila melanogaster (National Institute of General Medical Sciences).

Utilizando la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster) como modelo hemos identificado una clase de genes regulados a lo largo del desarrollo cuya expresión se activa de forma temporal sin presentar las modificaciones canónicas de activación génica. Imagen: Drosophila melanogaster (National Institute of General Medical Sciences).

En primer lugar, usando datos a nivel genómico de expresión génica (Graveley, 2011) y de modificaciones de las histonas (Nègre, 2011) publicados por el proyecto modENCODE en 12 estadios del desarrollo de D. melanogaster, identificamos dos grupos de genes claramente diferenciados por su patrón de expresión. El primer grupo, que definimos como genes estables a lo largo del desarrollo, se expresan en todos los estadios a niveles muy similares. Estos genes presentan las marcas canónicas de activación de las histonas (H3K4me3 y H3K9ac). El segundo grupo de genes, definidos como genes regulados a lo largo del desarrollo, se expresan puntualmente en uno o dos estadios, pero a niveles comparables a los anteriores. Sorprendentemente, estos genes no presentan las marcas de las histonas asociadas a activación génica en ningún momento, ni siquiera en el estadio en el que se expresan.

La aparente ausencia de modificaciones de histonas podría atribuirse a la falta de sensibilidad de las tecnologías actualmente disponibles para su detección, ya que si los genes se expresan únicamente en algunas células, como ocurre a menudo con los genes regulados durante el desarrollo, la señal que se origina de sus modificaciones podría diluirse y no ser detectada. Sin embargo, el análisis de genes expresados en un único estadio (Larva 3), pero en todos los tejidos del animal, indica que estos genes no presentan las marcas de las histonas de activación, aun cuando se expresan en todo el organismo. De la misma manera, experimentos en el laboratorio con dos tejidos larvarios con una composición celular relativamente homogénea confirman que los genes regulados expresados en uno u otro tejido no presentan las marcas de las histonas relacionadas con la activación transcripcional. Ensayos con células purificadas confirman, además, que los genes regulados se transcriben activamente en ausencia de las marcas de la cromatina.

Una conclusión lógica de nuestras observaciones es que si algunos genes pueden expresarse sin marcas de histonas necesarias para su activación, la inactivación de proteínas que promueven dichas modificaciones no debería alterar la expresión de estos genes. Efectivamente, observamos que la mutación del gen ash2, cofactor del complejo proteico responsable de la metilación de la H3K4, no altera la expresión de los genes regulados durante el desarrollo, pero sí la de los genes que se expresan de forma estable.

A partir de estas observaciones, proponemos un modelo en el cual la expresión de genes transcripcionalmente estables a lo largo del desarrollo, estaría controlada principalmente por modificaciones postraduccionales de las histonas, mientras que la expresión puntual de genes regulados durante el desarrollo estaría controlada principalmente por factores de transcripción. Las diferencias observadas en la unión de factores de transcripción que regulan estos dos tipos de genes parecen robustecer el modelo.

Finalmente, si bien no disponemos de datos durante el desarrollo en mamíferos para poder realizar el mismo estudio, los análisis realizados con diferentes tipos celulares humanos (Kundaje, 2015) y tejidos en ratón (Yue, 2014) indican que este modelo podría ser extrapolable a estos organismos, ya que genes expresados específicamente en un solo tipo celular o tejido y, por tanto, susceptibles de ser regulados también a lo largo del desarrollo, presentan niveles bajos de las marcas de las histonas asociadas con activación de la expresión génica.

Referencia:

Pérez-Lluch S, et al. Absence of canonical marks of active chromatin in developmentally regulated genes. Nat Genet. 2015 Aug 17. doi: 10.1038/ng.3381.

Bibliografía:

Graveley BR, et al. The developmental transcriptome of Drosophila melanogaster. Nature. 2011 Mar 24;471(7339):473-9. doi: 10.1038/nature09715.

Kundaje A, et al. Integrative analysis of 111 reference human epigenomes. Nature. 2015 Feb 19;518(7539):317-30. doi: 10.1038/nature14248.

Nègre, N, et al. A cis-regulatory map of the Drosophila genome. Nature. 2011 Mar 24;471(7339):527-31. doi: 10.1038/nature09990.

Pérez-Lluch S, et al. Absence of canonical marks of active chromatin in developmentally regulated genes. Nat Genet. 2015 Aug 17. doi: 10.1038/ng.3381.

Yue F, et al. A comparative encyclopedia of DNA elements in the mouse genome. Nature. 2014 Nov 20;515(7527):355-64. doi: 10.1038/nature13992.

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