Histona

Representación esquemática de la asamblea de las histonas centrales en el núcleo.

En biología, las histonas son proteínas muy básicas abundantes en residuos de lisina y arginina que se encuentran en los núcleos de las células eucariotas. Actúan como carretes alrededor de los cuales el ADN se enrolla para crear unidades estructurales llamadas nucleosomas. Los nucleosomas, a su vez, están envueltos en fibras de 30 nanómetros que forman cromatina densamente empaquetada. Las histonas evitan que el ADN se enrede y lo protegen del daño del ADN. Además, las histonas juegan un papel importante en la regulación de genes y la replicación del ADN. Sin histonas, el ADN desenrollado en los cromosomas sería muy largo. Por ejemplo, cada célula humana tiene alrededor de 1,8 metros de ADN si se estira por completo; sin embargo, cuando se enrolla alrededor de las histonas, esta longitud se reduce a unos 90 micrómetros (0,09 mm) de fibras de cromatina de 30 nm de diámetro.

Hay cinco familias de histonas que se denominan H1/H5 (histonas enlazadoras), H2, H3 y H4 (histonas centrales). El núcleo del nucleosoma está formado por dos dímeros H2A-H2B y un tetrámero H3-H4. La estrecha envoltura del ADN alrededor de las histonas es en gran medida el resultado de la atracción electrostática entre las histonas cargadas positivamente y la columna vertebral de fosfato del ADN cargada negativamente.

Las histonas pueden modificarse químicamente mediante la acción de enzimas para regular la transcripción de genes. La modificación más común es la metilación de residuos de arginina o lisina o la acetilación de lisina. La metilación puede afectar la forma en que otras proteínas, como los factores de transcripción, interactúan con los nucleosomas. La acetilación de lisina elimina una carga positiva en la lisina, lo que debilita la atracción electrostática entre la histona y el ADN, lo que da como resultado un desenrollamiento parcial del ADN, haciéndolo más accesible para la expresión génica.

Clases y variantes

Histone heterooctamer (H3,H4,H2A,H2B) + fragmento DNS, Frog

Existen cinco familias principales de histonas: H1/H5, H2A, H2B, H3 y H4. Las histonas H2A, H2B, H3 y H4 se conocen como histonas centrales, mientras que las histonas H1/H5 se conocen como histonas enlazadoras.

Todas las histonas centrales existen como dímeros, que son similares en el sentido de que todas poseen el dominio de plegamiento de histonas: tres hélices alfa unidas por dos bucles. Es esta estructura helicoidal la que permite la interacción entre distintos dímeros, particularmente en forma de cabeza y cola (también llamado motivo de apretón de manos). Los cuatro dímeros distintos resultantes luego se unen para formar un núcleo de nucleosoma octámero, de aproximadamente 63 Angstroms de diámetro (una partícula similar a un solenoide (ADN)). Alrededor de 146 pares de bases (pb) de ADN envuelven esta partícula central 1,65 veces en un giro superhelicoidal hacia la izquierda para dar una partícula de alrededor de 100 Angstroms de ancho. La histona enlazadora H1 se une al nucleosoma en los sitios de entrada y salida del ADN, bloqueando así el ADN en su lugar y permitiendo la formación de una estructura de orden superior. La formación más básica de este tipo es la fibra de 10 nm o perlas en una conformación de cuerda. Esto implica la envoltura de ADN alrededor de los nucleosomas con aproximadamente 50 pares de bases de ADN que separan cada par de nucleosomas (también conocido como ADN conector). Las estructuras de orden superior incluyen la fibra de 30 nm (formando un zigzag irregular) y la fibra de 100 nm, siendo estas las estructuras que se encuentran en las células normales. Durante la mitosis y la meiosis, los cromosomas condensados se ensamblan mediante interacciones entre los nucleosomas y otras proteínas reguladoras.

Las histonas se subdividen en histonas canónicas dependientes de la replicación que se expresan durante la fase S del ciclo celular y variantes de histonas independientes de la replicación, expresadas durante todo el ciclo celular. En los animales, los genes que codifican histonas canónicas normalmente se agrupan a lo largo del cromosoma, carecen de intrones y utilizan una estructura de bucle de tallo en el extremo 3' extremo en lugar de una cola poliA. Los genes que codifican variantes de histonas generalmente no están agrupados, tienen intrones y sus ARNm están regulados con colas de poliA. Los organismos multicelulares complejos suelen tener un mayor número de variantes de histonas que proporcionan una variedad de funciones diferentes. Se están acumulando datos recientes sobre las funciones de diversas variantes de histonas que destacan los vínculos funcionales entre las variantes y la delicada regulación del desarrollo del organismo. Las variantes de histonas de diferentes organismos, su clasificación y las características específicas de las variantes se pueden encontrar en "HistoneDB 2.0 - Variantes" base de datos.

La siguiente es una lista de proteínas histonas humanas:

Estructura

Pasos en montaje nucleoso

El núcleo del nucleosoma está formado por dos dímeros H2A-H2B y un tetrámero H3-H4, formando dos mitades casi simétricas por estructura terciaria (simetría C2; una macromolécula es la imagen especular de la otra). Los dímeros H2A-H2B y el tetrámero H3-H4 también muestran simetría de pseudodíada. Los 4 'núcleo' Las histonas (H2A, H2B, H3 y H4) tienen una estructura relativamente similar y están muy conservadas a lo largo de la evolución, y todas presentan una 'hélice gira hélice gira hélice' motivo (motivo de proteína de unión a ADN que reconoce una secuencia de ADN específica). También comparten la característica de largas 'colas' en un extremo de la estructura de aminoácidos, siendo esta la ubicación de la modificación postraduccional (ver más abajo).

La histona arqueológica solo contiene una estructura dimérica similar a H3-H4 hecha de un solo tipo de unidad. Tales estructuras diméricas pueden apilarse en una superhélice alta ('hipernucleosoma') en la que el ADN se enrolla de manera similar a los carretes de los nucleosomas. Solo algunas histonas arqueales tienen colas.

Se ha determinado que la distancia entre los carretes alrededor de los cuales las células eucariotas enrollan su ADN oscila entre 59 y 70 Å.

En total, las histonas realizan cinco tipos de interacciones con el ADN:

• puentes de sal y enlaces de hidrógeno entre cadenas laterales de aminoácidos básicos (especialmente lisina y arginina) y oxígeno fosfato en ADN
• Helix-dipoles forman alpha-helixes en H2B, H3, y H4 causan una carga neta positiva para acumularse en el punto de interacción con grupos de fosfato cargados negativamente en el ADN
• Hidrogen bonds between the DNA backbone and the amide group on the main chain of histone proteins
• Interacciones no poliares entre los azúcares de histone y deoxiribosa en el ADN
• Inserciones menores de groove no específicas de las colas N-terminal H3 y H2B en dos ranuras menores cada una en la molécula de ADN

La naturaleza altamente básica de las histonas, además de facilitar las interacciones ADN-histonas, contribuye a su solubilidad en agua.

Las histonas están sujetas a modificaciones posteriores a la traducción por enzimas principalmente en sus colas N-terminales, pero también en sus dominios globulares. Dichas modificaciones incluyen metilación, citrulinación, acetilación, fosforilación, SUMOilación, ubiquitinación y ADP-ribosilación. Esto afecta su función de regulación génica.

En general, los genes activos tienen menos histona unida, mientras que los genes inactivos están muy asociados con las histonas durante la interfase. También parece que la estructura de las histonas se ha conservado evolutivamente, ya que cualquier mutación perjudicial sería gravemente desadaptativa. Todas las histonas tienen un extremo N altamente cargado positivamente con muchos residuos de lisina y arginina.

Evolución y distribución de especies

Las histonas centrales se encuentran en los núcleos de las células eucariotas y en la mayoría de los filos Archaeal, pero no en las bacterias. Anteriormente se pensaba que las algas unicelulares conocidas como dinoflagelados eran los únicos eucariotas que carecían por completo de histonas, pero estudios posteriores demostraron que su ADN todavía codifica genes de histonas. A diferencia de las histonas centrales, en las bacterias se encuentran homólogos de las proteínas histonas enlazadoras ricas en lisina (H1), también conocidas como nucleoproteína HC1/HC2.

Se ha propuesto que las histonas centrales están relacionadas evolutivamente con la parte helicoidal del dominio ATPasa AAA+ extendido, el dominio C, y con el dominio de reconocimiento de sustrato N-terminal de las proteínas Clp/Hsp100. A pesar de las diferencias en su topología, estos tres pliegues comparten un motivo homólogo de hélice-hebra-hélice (HSH). También se propone que pueden haber evolucionado a partir de proteínas ribosomales (RPS6/RPS15), siendo ambas proteínas cortas y básicas.

Las histonas arcaicas bien pueden parecerse a los precursores evolutivos de las histonas eucariotas. Las proteínas histonas se encuentran entre las proteínas más conservadas en los eucariotas, lo que enfatiza su importante papel en la biología del núcleo. Por el contrario, los espermatozoides maduros utilizan en gran medida protaminas para empaquetar su ADN genómico, muy probablemente porque esto les permite lograr una proporción de empaquetamiento aún mayor.

Hay algunas formas variantes en algunas de las clases principales. Comparten homología de secuencia de aminoácidos y similitud estructural central con una clase específica de histonas principales, pero también tienen su propia característica que las diferencia de las histonas principales. Estas histonas menores suelen realizar funciones específicas del metabolismo de la cromatina. Por ejemplo, la CENPA similar a la histona H3 está asociada solo con la región del centrómero del cromosoma. La variante H2A.Z de la histona H2A está asociada con los promotores de genes transcritos activamente y también está involucrada en la prevención de la propagación de la heterocromatina silenciosa. Además, H2A.Z tiene funciones en la cromatina para la estabilidad del genoma. Otra variante de H2A, H2A.X, se fosforila en S139 en las regiones alrededor de las roturas de doble cadena y marca la región que se somete a la reparación del ADN. La histona H3.3 está asociada con el cuerpo de genes transcritos activamente.

Función

Unidades básicas de la estructura de la cromatina

Hebras de ADN compactadas

Las histonas actúan como carretes alrededor de los cuales se enrolla el ADN. Esto permite la compactación necesaria para acomodar los grandes genomas de eucariotas dentro de los núcleos celulares: la molécula compactada es 40.000 veces más corta que una molécula sin empaquetar.

Regulación de la cromatina

Histone tails y su función en la formación de cromatina

Las histonas sufren modificaciones postraduccionales que alteran su interacción con el ADN y las proteínas nucleares. Las histonas H3 y H4 tienen colas largas que sobresalen del nucleosoma, que pueden modificarse covalentemente en varios lugares. Las modificaciones de la cola incluyen metilación, acetilación, fosforilación, ubiquitinación, SUMOilación, citrulinación y ADP-ribosilación. El núcleo de las histonas H2A y H2B también puede modificarse. Se cree que las combinaciones de modificaciones, conocidas como marcas de histonas, constituyen un código, el llamado "código de histonas". Las modificaciones de histonas actúan en diversos procesos biológicos como la regulación génica, la reparación del ADN, la condensación cromosómica (mitosis) y la espermatogénesis (meiosis).

La nomenclatura común de las modificaciones de histonas es:

• El nombre de la piedra (por ejemplo, H3)
• La abreviación de aminoácidos de una sola pieza (por ejemplo, K para Lysine) y la posición de aminoácidos en la proteína
• El tipo de modificación (Me: metil, P: fosfato, Ac: acetil, Ub: ubiquitina)
• El número de modificaciones (sólo Me se sabe que ocurre en más de una copia por residuo. 1, 2 o 3 es mono-, di- o tri-metilación)

Entonces, H3K4me1 denota la monometilación del cuarto residuo (una lisina) desde el inicio (es decir, el N-terminal) de la proteína H3.

Modificación

Representación esquemática de las modificaciones de la piedra. Basado en Rodríguez-Paredes y Esteller, Naturaleza, 2011

Se ha descrito un enorme catálogo de modificaciones de histonas, pero aún falta una comprensión funcional de la mayoría. Colectivamente, se cree que las modificaciones de histonas pueden ser la base de un código de histonas, por lo que las combinaciones de modificaciones de histonas tienen significados específicos. Sin embargo, la mayoría de los datos funcionales se refieren a modificaciones de histonas prominentes individuales que son bioquímicamente susceptibles de un estudio detallado.

Química

Metilación de lisina

La adición de uno, dos o muchos grupos metilo a la lisina tiene poco efecto sobre la química de la histona; la metilación deja intacta la carga de la lisina y agrega un número mínimo de átomos, por lo que las interacciones estéricas no se ven afectadas en su mayoría. Sin embargo, las proteínas que contienen dominios Tudor, cromo o PHD, entre otros, pueden reconocer la metilación de la lisina con una sensibilidad exquisita y diferenciar mono, di y tri-metil lisina, hasta el punto de que, para algunas lisinas (por ejemplo: H4K20) mono, di y tri -metilación parecen tener diferentes significados. Debido a esto, la metilación de la lisina tiende a ser una marca muy informativa y domina las funciones conocidas de modificación de histonas.

Serotonilación de glutamina

Recientemente se ha demostrado que la adición de un grupo de serotonina a la posición 5 de la glutamina de H3 ocurre en células serotoninérgicas como las neuronas. Esto es parte de la diferenciación de las células serotoninérgicas. Esta modificación postraduccional ocurre junto con la modificación H3K4me3. La serotonina potencia la unión del factor de transcripción general TFIID a la caja TATA.

Metilación de arginina

Lo que se dijo anteriormente sobre la química de la metilación de la lisina también se aplica a la metilación de la arginina, y algunos dominios de proteínas, por ejemplo, los dominios Tudor, pueden ser específicos para la metilarginina en lugar de la metillisina. Se sabe que la arginina está mono o dimetilada, y la metilación puede ser simétrica o asimétrica, potencialmente con diferentes significados.

Citrulinación de arginina

Las enzimas llamadas peptidilarginina deiminasas (PAD) hidrolizan el grupo imina de las argininas y unen un grupo ceto, de modo que hay una carga positiva menos en el residuo de aminoácido. Este proceso ha estado involucrado en la activación de la expresión génica al hacer que las histonas modificadas se unan menos al ADN y, por lo tanto, hacer que la cromatina sea más accesible. Las PAD también pueden producir el efecto contrario al eliminar o inhibir la monometilación de los residuos de arginina en las histonas y, por lo tanto, antagonizar el efecto positivo que tiene la metilación de la arginina en la actividad transcripcional.

Acetilación de lisina

La adición de un grupo acetilo tiene un efecto químico importante en la lisina, ya que neutraliza la carga positiva. Esto reduce la atracción electrostática entre la histona y el esqueleto de ADN cargado negativamente, aflojando la estructura de la cromatina; las histonas altamente acetiladas forman una cromatina más accesible y tienden a estar asociadas con la transcripción activa. La acetilación de lisina parece tener un significado menos preciso que la metilación, ya que las histona acetiltransferasas tienden a actuar sobre más de una lisina; presumiblemente esto refleja la necesidad de alterar múltiples lisinas para tener un efecto significativo en la estructura de la cromatina. La modificación incluye H3K27ac.

Fosforilación de serina/treonina/tirosina

La adición de un grupo fosfato con carga negativa puede provocar cambios importantes en la estructura de la proteína, lo que lleva al papel bien caracterizado de la fosforilación en el control de la función de la proteína. No está claro qué implicaciones estructurales tiene la fosforilación de histonas, pero la fosforilación de histonas tiene funciones claras como modificación postraduccional, y se han caracterizado dominios de unión como BRCT.

Efectos sobre la transcripción

La mayoría de las modificaciones de histonas mejor estudiadas están involucradas en el control de la transcripción.

Genes transcritos activamente

Dos modificaciones de histonas están particularmente asociadas con la transcripción activa:

Trimetilación de lisina H3 4 (H3K4me3)

Esta trimetilación ocurre en el promotor de genes activos y es realizada por el complejo COMPASS. A pesar de la conservación de esta compleja y histone modificación de la levadura a los mamíferos, no está completamente claro qué papel juega esta modificación. Sin embargo, es una excelente marca de promotores activos y el nivel de esta modificación de piedra en el promotor de un gen está ampliamente correlacionado con la actividad transcripcional del gen. La formación de esta marca está ligada a la transcripción de una manera bastante convocada: a principios de la transcripción de un gen, la polimerasa II RNA experimenta un cambio de iniciar" a "pertenecer", marcado por un cambio en los estados de fosforilación del dominio terminal C de la polimerasa II RNA (CTD). La misma enzima que fosforila la CTD también fosforila el complejo Rad6, que a su vez añade una marca de ubiquitina a H2B K123 (K120 en mamíferos). H2BK123Ub ocurre a través de las regiones transscritas, pero esta marca es necesaria para que COMPASS trimethylate H3K4 en los promotores.

Trimetilación de lisina H3 36 (H3K36me3)

Esta trimetilación ocurre en el cuerpo de genes activos y es depositada por el conjunto de metiltransferasa2. Esta proteína asocia con la polimerasa de ARN alargada II, y H3K36Me3 es indicativa de genes transcribidos activamente. H3K36Me3 es reconocido por el complejo Rpd3 histone deacetylase, que elimina las modificaciones del acetil de las histonas circundantes, aumentando la compactación de la cromatina y reprimiendo la transcripción espurosa. El aumento de la compactación de la cromatina impide que los factores de transcripción accedan al ADN y reduce la probabilidad de que se inicien nuevos eventos de transcripción dentro del cuerpo del gen. Por lo tanto, este proceso ayuda a asegurar que la transcripción no se interrumpa.

Genes reprimidos

Tres modificaciones de histonas están particularmente asociadas con genes reprimidos:

Trimetilación de lisina H3 27 (H3K27me3)

Esta modificación de cálculo se deposita por el complejo de policomb PRC2. Es un marcador claro de la represión del gen, y es probable que obligado por otras proteínas a ejercer una función represiva. Otro complejo de policomb, PRC1, puede atar H3K27me3 y añade la modificación h2AK119Ub que ayuda a la compactación de la cromatina. Sobre la base de estos datos parece que PRC1 es reclutado a través de la acción PRC2, sin embargo, estudios recientes muestran que PRC1 es reclutado en los mismos sitios en ausencia de PRC2.

Di y trimetilación de lisina H3 9 (H3K9me2/3)

H3K9me2/3 es un marcador bien definido para la heterocromotina, y por lo tanto está fuertemente asociado con la represión del gen. La formación de heterocromotina ha sido mejor estudiada en la levadura Esquizosaccharomyces pombe, donde se inicia mediante el reclutamiento del complejo de silenciación transcripcional inducida por el RNA (RITS) para doble ARNs varados producidos a partir de repeticiones centroméricas. RITS recluta el Clr4 histone metiltransferase que deposita H3K9me2/3. Este proceso se llama metilación de piedras preciosas. H3K9Me2/3 sirve como un sitio de unión para el reclutamiento de Swi6 (proteína heterocromotina 1 o HP1, otro marcador clásico de heterocromotina) que a su vez recluta nuevas actividades represivas incluyendo modificadores de piedras preciosas como deacetillasas de piedra y metiltransferas de piedra.

Trimetilación de lisina H4 20 (H4K20me3)

Esta modificación está estrechamente asociada con la heterocromotina, aunque su importancia funcional no está clara. Esta marca es colocada por la metiltransferasa Suv4-20h, que es al menos en parte reclutada por la proteína heterocromotatina 1.

Promotoras bivalentes

El análisis de las modificaciones de las histonas en las células madre embrionarias (y otras células madre) reveló que muchos promotores genéticos portaban tanto H3K4Me3 como H3K27Me3; en otras palabras, estos promotores muestran marcas de activación y represión simultáneamente. Esta peculiar combinación de modificaciones marca genes que están preparados para la transcripción; no se requieren en las células madre, pero se requieren rápidamente después de la diferenciación en algunos linajes. Una vez que la célula comienza a diferenciarse, estos promotores bivalentes se resuelven en estados activos o represivos según el linaje elegido.

Otras funciones

Reparación de daños en el ADN

Marcar sitios de daño en el ADN es una función importante para las modificaciones de histonas. Sin un marcador de reparación, el ADN sería destruido por el daño acumulado de fuentes como la radiación ultravioleta del sol.

Phosphorylation of H2AX at serine 139 (γH2AX)

Phosphorylated H2AX (también conocido como gamma H2AX) es un marcador de rupturas de doble cadena de ADN, y forma parte de la respuesta al daño del ADN. H2AX es fosforilado temprano después de la detección de la ruptura de doble cadena de ADN, y forma un dominio que extiende muchos kilos a ambos lados del daño. Gamma H2AX actúa como un sitio de unión para la proteína MDC1, que a su vez recluta proteínas clave de reparación de ADN (este tema complejo es bien revisado) y como tal, gamma H2AX forma una parte vital de la maquinaria que asegura la estabilidad del genoma.

Acetilación de lisina H3 56 (H3K56Ac)

H3K56Acx es necesario para la estabilidad del genoma. H3K56 es acetilado por el complejo p300/Rtt109, pero se desacetiliza rápidamente alrededor de sitios de daño al ADN. La acetilación H3K56 también es necesaria para estabilizar las horquillas de replicación estancadas, evitando los colapsos de la horquilla de replicación peligrosa. Aunque en los mamíferos generales hacen un uso mucho mayor de las modificaciones de la piedra histérica que los microorganismos, un papel importante de H3K56Ac en la replicación de ADN sólo existe en hongos, y esto se ha convertido en un objetivo para el desarrollo de antibióticos.

Trimetilación de lisina H3 36 (H3K36me3)

H3K36me3 tiene la capacidad de reclutar el complejo MSH2-MSH6 (hMutSα) de la vía de reparación del desenlace de ADN. Consecuentemente, las regiones del genoma humano con altos niveles de H3K36me3 acumulan mutaciones menos somáticas debido a la actividad de reparación desigual.

Condensación de cromosomas

Phosphorylation of H3 at serine 10 (phospho-H3S10)

La kinasa mitótica aurora B fosforilatos histone H3 en serine 10, desencadenando una cascada de cambios que median la condensación de cromosoma mitótico. Por lo tanto, los cromosomas condensados manchan muy fuertemente para esta marca, pero la fosforilación H3S10 también está presente en ciertos sitios cromosómicos fuera de la mitosis, por ejemplo en heterocromotina pericéntrico de células durante G2. La fosforilación H3S10 también se ha relacionado con el daño del ADN causado por la formación de R-loop en sitios altamente transcritos.

Phosphorylation H2B at serine 10/14 (phospho-H2BS10/14)

La fosforilación de H2B en serine 10 (yeast) o serine 14 (mammals) también está vinculada a la condensación de cromotina, pero para el propósito muy diferente de mediar condensación cromosómica durante la apoptosis. Esta marca no es simplemente un espectador que actúa tarde en la apoptosis ya que la levadura que transporta mutaciones de este residuo son resistentes a la muerte apoptótica inducida por peróxido de hidrógeno.

Adicción

Las modificaciones epigenéticas de las colas de histonas en regiones específicas del cerebro tienen una importancia central en las adicciones. Una vez que se producen determinadas alteraciones epigenéticas, parecen ser "cicatrices moleculares" de larga duración. que pueden explicar la persistencia de las adicciones.

Los fumadores de cigarrillos (alrededor del 15 % de la población estadounidense) suelen ser adictos a la nicotina. Después de 7 días de tratamiento de ratones con nicotina, la acetilación tanto de la histona H3 como de la histona H4 aumentó en el promotor de FosB en el núcleo accumbens del cerebro, lo que provocó un aumento del 61 % en la expresión de FosB. Esto también aumentaría la expresión de la variante de empalme Delta FosB. En el núcleo accumbens del cerebro, Delta FosB funciona como un "interruptor molecular sostenido" y "proteína de control maestro" en el desarrollo de una adicción.

Alrededor del 7 % de la población estadounidense es adicta al alcohol. En ratas expuestas al alcohol durante un máximo de 5 días, hubo un aumento en la acetilación de la histona 3 lisina 9 en el promotor de pronociceptina en el complejo de la amígdala cerebral. Esta acetilación es una marca de activación para la pronociceptina. El sistema de nociceptina/receptor opioide de nociceptina está implicado en los efectos de refuerzo o acondicionamiento del alcohol.

La adicción a la metanfetamina ocurre en aproximadamente el 0,2 % de la población de EE. UU. El uso crónico de metanfetamina provoca la metilación de la lisina en la posición 4 de la histona 3 ubicada en los promotores de los genes c-fos y C-C chemokine receptor 2 (ccr2), activando esos genes en el núcleo accumbens (NAc). c-fos es bien conocido por ser importante en la adicción. El gen ccr2 también es importante en la adicción, ya que la inactivación mutacional de este gen perjudica la adicción.

Síntesis

El primer paso de la duplicación de la estructura de la cromatina es la síntesis de las proteínas histonas: H1, H2A, H2B, H3, H4. Estas proteínas se sintetizan durante la fase S del ciclo celular. Existen diferentes mecanismos que contribuyen al aumento de la síntesis de histonas.

Levadura

La levadura lleva una o dos copias de cada gen de histona, que no están agrupadas sino dispersas por los cromosomas. La transcripción de genes de histonas está controlada por múltiples proteínas reguladoras de genes, como factores de transcripción que se unen a regiones promotoras de histonas. En la levadura en ciernes, el gen candidato para la activación de la expresión génica de histonas es SBF. SBF es un factor de transcripción que se activa en la fase G1 tardía, cuando se disocia de su represor Whi5. Esto ocurre cuando Whi5 es fosforilado por Cdc8, que es un G1/S Cdk. La supresión de la expresión génica de las histonas fuera de las fases S depende de las proteínas Hir que forman una estructura de cromatina inactiva en el locus de los genes de las histonas, lo que provoca el bloqueo de los activadores transcripcionales.

Metazoario

En los metazoos, el aumento en la tasa de síntesis de histonas se debe al aumento en el procesamiento de pre-ARNm a su forma madura, así como a la disminución en la degradación del ARNm; esto da como resultado un aumento de ARNm activo para la traducción de proteínas histonas. Se ha encontrado que el mecanismo para la activación del ARNm es la eliminación de un segmento de la cadena 3' final de la cadena de ARNm, y depende de la asociación con la proteína de unión de tallo-bucle (SLBP). SLBP también estabiliza los ARNm de histonas durante la fase S bloqueando la degradación por la nucleasa 3'hExo. Los niveles de SLBP están controlados por las proteínas del ciclo celular, lo que hace que las SLBP se acumulen cuando las células entran en la fase S y se degradan cuando las células abandonan la fase S. Las SLBP están marcadas para la degradación por fosforilación en dos residuos de treonina por quinasas dependientes de ciclina, posiblemente ciclina A/cdk2, al final de la fase S. Los metazoos también tienen múltiples copias de genes de histonas agrupados en cromosomas que se localizan en estructuras llamadas cuerpos de Cajal según lo determinado por el análisis de captura de conformación cromosómica de todo el genoma (4C-Seq).

Vínculo entre el control del ciclo celular y la síntesis

La proteína nuclear Ataxia-Telangiectasia (NPAT), también conocida como proteína nuclear coactivadora de la transcripción de histonas, es un factor de transcripción que activa la transcripción del gen de histonas en los cromosomas 1 y 6 de las células humanas. NPAT también es un sustrato de la ciclina E-Cdk2, que se requiere para la transición entre la fase G1 y la fase S. NPAT activa la expresión génica de histonas solo después de que ha sido fosforilada por la ciclina E-Cdk2 G1/S-Cdk en la fase S temprana. Esto muestra un vínculo regulador importante entre el control del ciclo celular y la síntesis de histonas.

Historia

Las histonas fueron descubiertas en 1884 por Albrecht Kossel. La palabra "histona" data de finales del siglo XIX y se deriva de la palabra alemana "Histon", una palabra de origen incierto, quizás del griego antiguo ἵστημι (hístēmi, “poner de pie”) o ἱστός (histós, “telar”).

A principios de la década de 1960, antes de que se conocieran los tipos de histonas y antes de que se supiera que las histonas estaban altamente conservadas en organismos taxonómicamente diversos, James F. Bonner y sus colaboradores comenzaron un estudio de estas proteínas que se sabía que estaban estrechamente asociadas con el ADN en el núcleo de los organismos superiores. Bonner y su becario postdoctoral Ru Chih C. Huang demostraron que la cromatina aislada no permitiría la transcripción de ARN en el tubo de ensayo, pero si las histonas se extraían de la cromatina, el ARN podría transcribirse a partir del ADN restante. Su artículo se convirtió en un clásico de las citas. Paul Toso y James Bonner habían convocado un Congreso Mundial sobre Química y Biología de Histonas en 1964, en el que quedó claro que no había consenso sobre el número de tipos de histonas y que nadie sabía cómo se compararían cuando aislados de diferentes organismos. Luego, Bonner y sus colaboradores desarrollaron métodos para separar cada tipo de histona, purificaron histonas individuales, compararon composiciones de aminoácidos en la misma histona de diferentes organismos y compararon secuencias de aminoácidos de la misma histona de diferentes organismos en colaboración con Emil Smith de UCLA. Por ejemplo, encontraron que la secuencia de Histona IV estaba altamente conservada entre los guisantes y el timo de ternera. Sin embargo, su trabajo sobre las características bioquímicas de las histonas individuales no reveló cómo interactuaban las histonas entre sí o con el ADN al que estaban fuertemente unidas.

También en la década de 1960, Vincent Allfrey y Alfred Mirsky sugirieron, basándose en sus análisis de las histonas, que la acetilación y la metilación de las histonas podrían proporcionar un mecanismo de control transcripcional, pero no tenían disponible el tipo de análisis detallado que los investigadores posteriores buscaron. capaz de llevar a cabo para mostrar cómo dicha regulación podría ser específica de genes. Hasta principios de la década de 1990, la mayoría descartaba las histonas como material de empaquetamiento inerte para el ADN nuclear eucariótico, una opinión basada en parte en los modelos de Mark Ptashne y otros, quienes creían que la transcripción se activaba mediante interacciones proteína-ADN y proteína-proteína en gran medida. plantillas de ADN desnudo, como es el caso de las bacterias.

Durante la década de 1980, Yahli Lorch y Roger Kornberg demostraron que un nucleosoma en un promotor central evita el inicio de la transcripción in vitro, y Michael Grunstein demostró que las histonas reprimen la transcripción in vivo, lo que llevó a la idea del nucleosoma como un gen general represor Se cree que el alivio de la represión implica tanto la modificación de las histonas como la acción de los complejos de remodelación de la cromatina. Vincent Allfrey y Alfred Mirsky habían propuesto anteriormente un papel de la modificación de histonas en la activación transcripcional, considerada como una manifestación molecular de la epigenética. Michael Grunstein y David Allis encontraron apoyo para esta propuesta en la importancia de la acetilación de histonas para la transcripción en levaduras y la actividad del activador transcripcional Gcn5 como histona acetiltransferasa.

El descubrimiento de la histona H5 parece remontarse a la década de 1970 y ahora se considera una isoforma de la histona H1.