Epigenética: las histonas y sus cambios

Si recordamos, las histonas son las proteínas sobre las que se enrolla el ADN para formar los nucleosomas y, por tanto, favorecen un nivel de compactación mayor o menor. Y a mayor compactación, menos acceso por parte de toda la maquinaria de la transcripción y más complejo será que ese gen se exprese.

Si observa de cerca la Histona, podremos observar que consisten en una parte globular con colas o extremos no estructurados extendidos (extremos amino y carboxilo terminal). Las regiones globulares de las histonas forman el núcleo del nucleosoma y las colas sobresalen de la estructura del nucleosoma.

Las histonas pueden modificarse químicamente tanto en las colas como en las áreas globulares. En las últimas décadas, se han descubierto cientos de modificaciones de histonas, ahora agrupadas en un llamado "código de histonas"¹. Las modificaciones más estudiadas son acetilación (Ac), metilación (Me), fosforilación (P) y ubiquitinación (Ub), aunque también pueden encontrarse ADP-ribosilación,  citrulinación y acetil-glucosaminación.

Ahora que ya conocemos las modificaciones, veamos cómo se decriben usando una nomenclatura particular que debe indicar:

* Qué histona se modifica (H2A, H2B, H3 o H4).

* El aminoácido que se modifica y su posición dentro de la proteína histona (por ejemplo, lisina 9, K9).

* La naturaleza de la modificación (por ejemplo, metilación - Me, acetilación -Ac, ubiquitinilación -Ub, etc.).

* El número de grupos químicos unidos. En muchos casos, una, dos o incluso tres moléculas químicas idénticas pueden unirse al aminoácido. (p. ej. me1, me2 o me3).

Como todo se entiende mejor con un ejemplo vamos a probar a interpretar:

H3K9me3: Triple metilación del aminoácido lisina en la novena posición de la proteína histona H3.

H3K9ac: Acetilación del aminoácido lisina en la novena posición de la proteína histona H3.

Profundicemos en las modificaciones de las histonas y sus implicaciones²:

Principales modificaciones epigenéticas en las histonas, especificando el residuo afectado

* acetilación: Allfrey y colaboradores describieron por primera vez sobre la acetilación de histonas en 1964³. Desde entonces, se ha demostrado que la acetilación de lisinas es muy dinámica y está regulada por la acción opuesta de dos familias de enzimas, las histonas acetiltransferasas (HAT) y las histonas desacetilasas (HDA). Los HAT catalizan la transferencia de un grupo acetilo a las cadenas laterales de lisina. Al hacerlo, neutralizan la carga positiva de la lisina y esta acción tiene el potencial de debilitar las interacciones entre las histonas y el ADN, permitiendo una mayor apertura. Por su parte, las enzimas HDAC tienen el efecto opuesto y se encagan de eliminar la acetilación de la lisina, una acción que restaura la carga positiva de la lisina. De esta forma se estabiliza la arquitectura de cromatina local y, por ello se considera que las HDAC son, predominantemente, represores transcripcionales.

* fosforilación: al igual que la acetilación de histonas, su fosforilación es muy dinámica. Tiene lugar en serinas (S), treoninas (T) y tirosinas (Y), principalmente, pero no exclusivamente, en las colas aminoterminales de las histonas. Los niveles de la modificación están controlados por quinasas y fosfatasas que agregan y eliminan la modificación, respectivamente⁴. Como regla general, la fosforilación de histonas se asocia con condensación de la cromatina y, por tanto, no transcripción.

* metilación: ocurre en lisinas (pueden ser mono, di o trimetiladas) y argininas (mono o dimetiladas), principalmente de las histonas H3 y H4, por parte de las proteínas histona-metiltransferasas (HMT). Dependiendo de la lisina afectada en H3 y H4 conllevará la activación o la represión de la transcripción, mientras que la metilación de la arginina conlleva únicamente la activación de la transcripción. Así, los residuos de lisina implicados en la activación son: H3K4, H3K36 y H3K79, mientras que la metilación en H3K9, H3K27 y H4K20 se ha relacionados con represión transcripcional. 

Por su parte, la adición ascendente de grupos metilo en cada lisina da lugar a un total de cuatro estados de metilación: no metilado, monometilado, dimetilado o trimetilado. Estos estados de metilación muestran una distribución diferente a lo largo del genoma. La trimetilación H3K4me3 (relacionada con la activación transcripcional) se detecta principalmente en la proximidad de los promotores de genes con alto grado de expresión, mientras que la trimetilación H3K27me3 (asociada a silenciamiento génico) se identifica en regiones de la cromatina transcripcionalmente inactivas o zonas de heterocromatina.

* ubiquitinación: la adición de la ubiquitina ocurre a nivel de los residuos de lisina de las colas carboxiloterminal de H2A y H2B. Las histonas H2B ubiquitinadas, y en menor medida las H2A se han asociado con el mantenimiento (más que con la activación) de la transcripción.

En la célula, los mecanismos de metilación del ADN y las modificaciones de histonas se interrelacionan de manera orquestada potenciando eventos de represión o activación epigenética. Por ejemplo, tras la desacetilación de una lisina, las histonas son metiladas, lo que conduce al reclutamiento de metiltransferasas de ADN, que metilan las islas CpG, provocando una hipermetilación del promotor, una mayor condensación de la cromatina  y el silenciamiento transcripcional del gen.

Referencias:

¹Jenuwein T, Allis CD. Translating the histone code. Science. 2001;293(5532):1074-1080

²Bannister AJ, Kouzarides T. Regulation of chromatin by histone modifications. Cell Res. 2011; 21(3): 381–395.

³Allfrey VG, Faulkner R, Mirsky AE. Acetylation and methylation of histones and their possible role in the regulation of RNA synthesis. Proc Natl Acad Sci USA. 1964;51:786–794.

⁴Oki M, Aihara H, Ito T. Role of histone phosphorylation in chromatin dynamics and its implications in diseases. Subcell Biochem. 2007;41:319–336