TEMA 11. REMODELACIÓ DE LA CROMATINA EN LA REGULACIÓ DE LA TRANSCRIPCIÓ (2014)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Genética - 2º curso
Asignatura Biologia Molecular d'Eucariotes
Año del apunte 2014
Páginas 10
Fecha de subida 04/01/2015
Descargas 24
Subido por

Vista previa del texto

TEMA 11: REMODELACIÓ DE LA CROMATINA EN LA REGULACIÓ DE LA TRANSCRIPCIÓ Com ja s’ha explicat al tema 10, la regulació de la transcripció depèn de la remodelació de la cromatina i de la presència de seqüències reguladores i reguladors. La remodelació de la cromatina serveix per fer que el DNA estigui accessible o no als enzims encarregats de la transcripció dels gens.
La remodelació de la cromatina influeix en l’expressió dels gens i engloba regions àmplies del genoma. Les modificacions són sempre reversibles, i poden afectar al DNA o a les histones.
La compactació dels nucleosomes impedeix la unió dels factors de transcripció. Però si actuen remodeladors de la cromatina que dissocien els nucleosomes, els factors de transcripció poden interaccionar amb el DNA, i fer que un gen es transcrigui.
Els canvis que afecten a l’accessibilitat dels gens de forma positiva o negativa constitueixen l’epigenoma. Això és el que estudia l’epigenètica, que és l’àrea de la genètica que estudia els processos que afecten a la estructura de la cromatina. La epigenètica és tant o més important que la regulació a nivell de factors de transcripció.
Els canvis i modificacions que estudia l’epigenètica no són mai sobre la seqüència dels gens, sinó sobre la conformació i estructura de la cromatina. Aquests canvis són reversibles, i sovint estan influenciats per l’ambient. Els canvis es mantenen al cap d’unes quantes divisions cel·lulars, i fins i tot en diverses generacions d’individus.
Per tant, els canvis epigenètics són canvis que afecten al fenotip sense alterar el genotip i que són heretables.
S’ha vist que els canvis epigenètics són fonamentals en molts processos, com l’expressió gènica.
Aquests canvis tenen accions sobre: - L’expressió gènica i de micro-RNAs.
Interaccions DNA-proteïnes.
Supressió de la mobilització de transposons.
Diferenciació cel·lular.
Embriogènesi.
Inactivació del cromosoma X.
Empremta genètica (impronta).
A més, aquest camp és encara de més interès ja que s’ha vist que canvis epigenètics contribueixen al desenvolupament de certes malalties (càncer, malalties neurodegeneratives...).
L’EPIGENOMA En un organisme normal cada tipus cel·lular té un epigenoma diferent. L’epigenoma seria la distribució de les metilacions de DNA, de les modificacions de les histones i de l’expressió de ncRNA, és a dir, la distribució de l’heterocromatina i l’eucromatina.
Durant el desenvolupament embrionari es fan marques epigenètiques que influeixen en la diferenciació cel·lular. En humans, del zigot en surten més de 200 tipus cel·lulars, i en cada un d’ells s’expressen uns gens específics (a part dels constitutius) determinats per modificacions epigenètiques.
L’epigenoma és dinàmic, pot canviar al llarg de la vida de l’individu, i també respon a estímuls i factors ambientals.
La diferenciació dels diferents patrons d’estructura de la cromatina es fa durant el desenvolupament embrionari, i produeix una expressió diferencial en els diferents tipus cel·lulars. En aquest camp encara queda molta feina per fer, no se sap encara gaire com es fa aquesta diferenciació.
Evidències de la importància de l’epigenoma: - Bessons monozigòtics presenten patrons epigenètics diferents.
Els animals clonats no són idèntics tot i tenir el mateix DNA.
Moltes malalties mostren patrons epigenètics diferents de les cèl·lules normals.
MECANISMES DE REGULACIÓ EPIGENÈTICA QUE MODULEN L’ESTAT DE LA CROMATINA - - - Modificacions post-traduccionals de les histones (mod).
Remodelació de la cromatina dependent d’energia (oval blau).
Incorporació d’histones no canòniques en els nucleosomes (nucleosoma de color groc).
Modificació covalent del DNA per metilació de citosines (Me).
RNA petits no codificants (ncRNA) s’associen a la cromatina.
CANVIS EPIGENÈTICS QUE AFECTEN L’EXPRESSIÓ GÈNICA Poden afectar de forma positiva o negativa. Aquests canvis poden ser: - - Modificacions del DNA: metilacions i desmetilacions.
Modificacions de les histones: acetilació/desacetilació, metilació/desmetilació, fosforilació i ubiqüitinització.
Posicionament dels nucleosomes: no hi ha canvis químics en les histones o el DNA, però els factors remodeladors de la cromatina empaqueten o desempaqueten els nucleosomes.
Unió de ncRNAs (siRNAs).
METILACIÓ DEL DNA La metilació del DNA té lloc en la citosina del dinucleòtid CpG d’eucariotes, encara que no se sol trobar en eucariotes inferiors.
En qualsevol lloc del genoma on hi hagi CpG, la citosina pot estar metilada.
Però aquestes seqüències no es distribueixen a l’atzar. Hi ha zones del genoma que tenen una concentració de seqüències CpG més alta que la normal. A aquestes zones se les anomena illes de CpG.
Les illes de CpG són regions de més de 200 pb molt riques en dinucleòtids CpG. El 60% dels promotors del genoma humà contenen illes CpG que, en general, no estan metilades en les cèl·lules normals (només el 6% es metilen de forma específica durant el desenvolupament).
La metilació d’una illa CpG comporta el silenciament de la zona on es troba. Per tant si un promotor amb illes CpG té aquestes metilades, el gen que regula no s’expressarà.
Les DNA metiltransferases (DNMT) són els enzims encarregats de dur a terme la reacció de metilació d’una citosina.
- Manteniment de l’estat de metilació del genoma: se n’encarrega DNMT1. Després de la replicació hi ha una monocadena metilada l’altra no (la de novo), d’això se’n diu estat d’hemimetilació. Llavors la DNMT1 es dedica a metilar la monocadena que no està metilada per mantenir el patró de metilació, i així mantenir els estats de la cromatina.
- Metilació de novo: se n’encarreguen la DNMT3a i la DNMT3b. Afegeixen metilacions en illes CpG que abans no en tenien, i això fa que l’epigenoma canviï, i s’alteri l’expressió d’alguns gens. Això passa en cèl·lules embrionàries i cèl·lules canceroses.
Les DNMT són essencials en mamífers: ratolins deficients en qualsevol de les DNMT presenten nivells de metilació baixos i moren en les primeres etapes de desenvolupament. No obstant, Saccharomyces cervisae i Caenorhabitas elegants no mostren metilació del DNA (no se sap perquè en els genomes dels eucariotes inferiors no és necessària la metilació).
El silenciament gènic a causa de la metilació del DNA s’explica a dos nivells: - Les metilacions en illes CpG de promotors no permeten que s’hi puguin unir els factors de transcripció.
Les regions metilades recluten proteïnes que compacten la cromatina, i impedeixen l’accés de factors de transcripció i del complex transcripcional als gens.
La metilació del DNA pot donar-se en diferents regions del genoma: - - En promotors. Si les illes CpG estan metilades hi ha compactació de la cromatina, i el gen no s’expressa.
Seqüències properes a un gen. Tot i no trobar-se en un promotor, la compactació de la cromatina pot acabar afectant al gen i fent que no s’expressi.
Dins d’un gen. Quan les illes CpG estan dins de la regió codificant d’un gen, si estan metilades augmenten l’expressió. Això és perquè així eviten que s’hi uneixi la RNApolimerasa, mentre que si no estan metilades, la RNA-polimerasa s’hi pot unir per error i començar processos de transcripció anòmals que disminueixen la taxa d’expressió.
Seqüències repetitives. Els transposons poden veure afectada la seva mobilitat per la metilació si les illes CpG que tenen (són bastant freqüents en transposons) estan metilades. La metilació fa que no s’expressin els gens dels transposons, i els productes gènics d’aquests són els que permeten als elements mòbils saltar a una altra regió del DNA. Si no es transcriuen els gens, no es mouen.
- La metilació del DNA en el càncer Els patrons de metilació de les cèl·lules canceroses són diferents dels de les cèl·lules normals. En un teixit normal, els gens que tenen CpG no estan metilats, i en comptes sí que hi ha una metilació global del genoma que permet determinar les zones heterocromàtiques. Els gens han d’estar desmetilats, per sota del nivell de metilació normal.
En cèl·lules canceroses, els gens que s’haurien d’expressar no ho fan perquè tenen un grau de metilació molt alt en els promotors dels gens, i en comptes el genoma en general perd nivell de metilació. Aquests canvis dràstics diferencien una cèl·lula agressiva d’una cèl·lula normal.
Aquests experiments posen de manifest la importància de la metilació i com aquesta afecta a malalties.
- Mètodes de detecció del nivell de metilació - Enzims de restricció que reconeixen seqüències metilades.
PCR específica.
Modificació amb bisulfit i seqüenciació.
MODIFICACIONS POST-TRADUCCIONALS DE LES HISTONES Els aminoàcids de les cues Nter de les histones són susceptibles de patir modificacions després de la traducció, sobretot les histones H3 i H4. Les modificacions que poden patir són: - Acetilació: ho fa l’enzim HAT (Acetil-Transferasa d’Histones).
Desacetilació: ho fa l’enzim HDAC (DesAcetilasa d’Histones).
Metilació: ho fa l’enzim HMT (Metil-Transferasa d’Histones).
Desmetilació: ho fa l’enzim HDM (Des-Metilasa d’Histones).
Fosforilació: ho fa una quinasa.
Desfosforilació: ho fa una fosfatasa.
Ubiqüitinització: s’afegeix una ubiqüitina.
L’acetilació i la metilació de les histones afecta a l’estructura dels nucleosomes. Les acetilacions redistribueixen la càrrega positiva de manera que la interacció entre histones i DNA és més dèbil.
Per això provoquen una descompactació, i en conseqüència, l’activació gènica. La desacetilació, per tant, comporta una compactació, i en conseqüència el silenciament gènic. L’acetilació es fa sobretot en residus de lisines (Lys).
Les metilacions no afecten tant a la redistribució de la càrrega, però impedeixen que el mateix lloc pugui estar acetilat, i per tant que es pugui descompactar. Això vol dir que les metilacions provoquen el silenciament gènic.
Una mateixa cua d’una histona pot patir moltes modificacions alhora. El codi d’histones diu que determinats patrons de modificació de les cues Nter de les histones determinen l’estat de la cromatina de la zona on es troben. És a dir, determinen si una regió s’expressa o no en un moment determinat.
Les acetilacions són freqüents en els promotors, ja que són unes regions que necessiten estar relaxades per a què hi puguin tenir accés els factors de transcripció i el complex transcripcional.
En el següent esquema podem veure cada modificació on és més freqüent: Fent un estudi de l’activitat de la DNAsa1 en un gen podem saber les zones més relaxades i obertes, ja que serà on aquest enzim tindrà més activitat. Això ens donarà una idea de les zones on les histones es troben més acetilades.
Les modificacions de la cromatina es coordinen: TRANSDUCCIÓ DE SENYALS Hi ha unes vies per les quals les senyals es comuniquen als reguladors de la transcripció. Hi ha un lligand que és el que porta la informació de l’exterior cel·lular, és a dir, porta l’estímul extern, ell és la senyal. Aquest lligand s’uneix a un receptor cel·lular. El receptor a vegades pot actuar com a regulador directament, però això molt poques vegades. Normalment comença una cascada de fosforilació.
Aquesta cascada de fosforilació acaba modificant d’alguna manera el regulador, per exemple descobrint la regió reguladora i així permetent que faci la seva funció, o traslladant el regulador al nucli.
Exemple: control del contingut intracel·lular d’ions metàl·lics en Saccharomyces cerevisae. És una resposta a hormones esteroidees.
Ex: model de la regulació de les hormones esteroides gluococorticoides.
Hsp90 és un factor que inhibeix l’activador (que alhora és el receptor) de la transcripció unints’hi. El senyal (l’hormona esteroide) activa l’activador fent que es dissociï Hsp90 i la hormona s’uneixi al domini activador del factor, fent que així estigui actiu. Ara el complex format per la hormona i el receptor és un activador que pot activar la transcripció.
ÚS DELS RECEPTORS DE SUPERFÍCIE CEL·LULAR Via de la MAP-quinasa Activa la divisió cel·lular. És una via de senyalització important en mamífers implicada en processos cancerígens.
...