Metilación de histonas

La metilación de histonas es un proceso mediante el cual se transfieren grupos metilo a los aminoácidos de las proteínas histonas que componen los nucleosomas , alrededor de los cuales se enrolla la doble hélice del ADN para formar los cromosomas . La metilación de las histonas puede aumentar o disminuir la transcripción de genes, dependiendo de qué aminoácidos de las histonas estén metilados y cuántos grupos metilo se unan. Los eventos de metilación que debilitan las atracciones químicas entre las colas de las histonas y el ADN aumentan la transcripción porque permiten que el ADN se desenrolle de los nucleosomas, de modo que las proteínas de los factores de transcripción y la ARN polimerasa puedan acceder al ADN. Este proceso es fundamental para la regulación de la expresión génica , que permite que diferentes células expresen diferentes genes.

La metilación de histonas, como mecanismo para modificar la estructura de la cromatina, se asocia con la estimulación de vías neuronales que se sabe que son importantes para la formación de recuerdos a largo plazo y el aprendizaje. ^{[ 1 ]} La metilación de histonas es crucial para casi todas las fases del desarrollo embrionario animal . ^{[ 2 ]}

Los modelos animales han demostrado que la metilación y otros mecanismos de regulación epigenética están asociados con condiciones de envejecimiento, enfermedades neurodegenerativas y discapacidad intelectual ^{[ 1 ]} ( síndrome de Rubinstein-Taybi , discapacidad intelectual ligada al cromosoma X ). ^{[ 3 ]} La desregulación de H3K4, H3K27 y H4K20 está asociada con cánceres . ^{[ 4 ]} Esta modificación altera las propiedades del nucleosoma y afecta sus interacciones con otras proteínas, particularmente en lo que respecta a los procesos de transcripción genética.

• La metilación de histonas puede asociarse tanto a la represión como a la activación transcripcional . Por ejemplo, la trimetilación de la histona H3 en la lisina 4 ( H3K4me3 ) es una marca activa de transcripción y se incrementa en el hipocampo una hora después del condicionamiento de miedo contextual en ratas. Sin embargo, la dimetilación de la histona H3 en la lisina 9 ( H3K9me2 ), una señal de silenciamiento transcripcional, aumenta tras la exposición al condicionamiento de miedo o a un entorno novedoso por separado. ^{[ 5 ]}
• La metilación de algunos residuos de lisina (K) y arginina (R) de las histonas produce activación transcripcional. Algunos ejemplos son la metilación de la lisina 4 de la histona 3 ( H3K4me1 ) y de los residuos de arginina (R) en H3 y H4 .
• La adición de grupos metilo a las histonas por las histona metiltransferasas puede activar o reprimir aún más la transcripción, dependiendo del aminoácido que se metile y de la presencia de otros grupos metilo o acetilo en las proximidades. ^{[ 6 ]}
• Generalmente, en el caso de las metilaciones de lisina de histonas, las histona metiltransferasas (que metilan) se caracterizan como "escritoras", mientras que las desmetilasas se caracterizan como "borradoras". ^{[ 2 ] [ 4 ]}

La unidad fundamental de la cromatina , llamada nucleosoma , contiene ADN enrollado alrededor de un octámero de proteínas . Este octámero consta de dos copias de cada una de las cuatro proteínas histonas: H2A , H2B , H3 y H4 . Cada una de estas proteínas tiene una extensión en la cola, y estas colas son los objetivos de la modificación del nucleosoma por metilación. La activación o inactivación del ADN depende en gran medida del residuo específico de la cola metilado y su grado de metilación. Las histonas pueden metilarse solo en residuos de lisina (K) y arginina (R), pero la metilación se observa con mayor frecuencia en los residuos de lisina de las colas de las histonas H3 y H4. ^{[ 7 ]} El extremo de la cola más alejado del núcleo del nucleosoma es el N-terminal (los residuos se numeran comenzando desde este extremo). Los sitios comunes de metilación asociados con la activación génica incluyen H3K4, H3K48 y H3K79. Los sitios comunes para la inactivación de genes incluyen H3K9 y H3K27. ^{[ 8 ]} Los estudios de estos sitios han encontrado que la metilación de las colas de histonas en diferentes residuos sirven como marcadores para el reclutamiento de varias proteínas o complejos proteicos que sirven para regular la activación o inactivación de la cromatina.

Los residuos de lisina y arginina contienen grupos amino, que les confieren características básicas e hidrofóbicas. La lisina puede ser mono-, di- o trimetilada, con un grupo metilo reemplazando cada hidrógeno de su grupo NH3+. Con un grupo NH2 y un grupo NH2+ libres, la arginina puede ser mono- o dimetilada. Esta dimetilación puede ocurrir de forma asimétrica en el grupo NH2 o de forma simétrica, con una metilación en cada grupo. ^{[ 9 ]} La adición de un grupo metilo a cada residuo requiere un conjunto específico de enzimas proteicas con diversos sustratos y cofactores. Generalmente, la metilación de un residuo de arginina requiere un complejo que incluye la proteína arginina metiltransferasa (PRMT), mientras que la lisina requiere una histona metiltransferasa (HMT) específica, que suele contener un dominio SET conservado evolutivamente. ^{[ 10 ]}

Los diferentes grados de metilación de residuos pueden conferir distintas funciones, como se ejemplifica en la metilación del residuo H4K20, comúnmente estudiado. El H4K20 monometilado ( H4K20me 1) participa en la compactación de la cromatina y, por lo tanto, en la represión transcripcional. Sin embargo, el H4K20me2 es vital en la reparación del ADN dañado. Cuando está dimetilado, el residuo proporciona una plataforma para la unión de la proteína 53BP1, implicada en la reparación de roturas de ADN de doble cadena mediante la unión de extremos no homólogos. Se observa que el H4K20me3 se concentra en la heterocromatina y se observan reducciones en esta trimetilación en la progresión del cáncer. Por lo tanto, el H4K20me3 cumple una función adicional en la represión de la cromatina. ^{[ 10 ]} La reparación de roturas de ADN de doble cadena en la cromatina también ocurre por recombinación homóloga e implica la metilación de histonas ( H3K9me3 ) para facilitar el acceso de las enzimas de reparación a los sitios de daño. ^{[ 11 ]}

El genoma está fuertemente condensado en cromatina, la cual debe relajarse para que se produzca la transcripción . Para detener la transcripción de un gen, el ADN debe enrollarse más firmemente. Esto se puede lograr modificando las histonas en ciertos sitios mediante metilación. Las histona metiltransferasas son enzimas que transfieren grupos metilo de la S-adenosilmetionina (SAM) a los residuos de lisina o arginina de las histonas H3 y H4. También se han observado casos de metilación de los dominios globulares centrales de las histonas.

Las histona metiltransferasas son específicas para lisina o arginina. Las transferasas específicas de lisina se subdividen según posean o no un dominio SET. Estos dominios especifican con precisión cómo la enzima cataliza la transferencia del grupo metilo desde SAM a la proteína de transferencia y, posteriormente, al residuo de histona. ^{[ 12 ]} Las metiltransferasas pueden añadir de 1 a 3 grupos metilo a los residuos diana.

Estos grupos metilo que se añaden a las histonas regulan la transcripción bloqueando o facilitando el acceso de los factores de transcripción al ADN. De esta forma, la integridad del genoma y la herencia epigenética de los genes están bajo el control de las histona metiltransferasas. La metilación de las histonas es fundamental para distinguir la integridad del genoma y los genes que expresan las células, confiriendo así su identidad.

Las histonas metiladas pueden reprimir o activar la transcripción. ^{[ 12 ]} Por ejemplo, mientras que H3K4me2 , H3K4me3 , H3K79me3 y H3R42me se asocian generalmente con la actividad transcripcional, mientras que H3K9me2 , H3K9me3 , H3K27me2 , H3K27me3 y H4K20me3 se asocian con la represión transcripcional. ^{[ 13 ]}

Las modificaciones realizadas en las histonas afectan a los genes que se expresan en una célula, como ocurre cuando las histona metiltransferasas añaden grupos metilo a los residuos de histonas. ^{[ 14 ]} La metilación de histonas desempeña un papel importante en el ensamblaje del mecanismo de heterocromatina y en el mantenimiento de los límites entre los genes que se transcriben y los que no. Estos cambios se transmiten a la descendencia y pueden verse afectados por el entorno al que están expuestas las células. Las alteraciones epigenéticas son reversibles, lo que significa que pueden ser dianas terapéuticas.

La actividad de las histona metiltransferasas se ve contrarrestada por la actividad de las histona desmetilasas. Esto permite activar o desactivar la transcripción mediante la reversión de modificaciones preexistentes. Es necesario que la actividad tanto de las histona metiltransferasas como de las histona desmetilasas esté estrictamente regulada. Una desregulación de cualquiera de ellas puede provocar una expresión génica que aumenta la susceptibilidad a las enfermedades. Muchos cánceres se originan por los efectos epigenéticos inapropiados de una metilación desregulada. ^{[ 15 ]} Sin embargo, dado que estos procesos a veces son reversibles, existe interés en utilizar su actividad en combinación con terapias anticancerígenas. ^{[ 15 ]}

En los organismos femeninos de especies con un sistema de determinación sexual XY , un espermatozoide que contiene un cromosoma X fertiliza el óvulo, dando al embrión dos copias del cromosoma X. Sin embargo, las hembras no requieren inicialmente ambas copias del cromosoma X, ya que esto solo duplicaría la cantidad de productos proteicos transcritos, como lo demuestra la hipótesis de compensación de dosis. El cromosoma X paterno se inactiva rápidamente durante las primeras divisiones. ^{[ 16 ]} Este cromosoma X inactivo (Xi) se empaqueta en una forma increíblemente compacta de cromatina llamada heterocromatina . ^{[ 17 ]} Este empaquetamiento se produce debido a la metilación de los diferentes residuos de lisina que ayudan a formar diferentes histonas. En los humanos, la inactivación del cromosoma X es un proceso aleatorio, mediado por el ARN no codificante XIST. ^{[ 18 ]}

Aunque la metilación de los residuos de lisina ocurre en muchas histonas diferentes, la más característica del Xi ocurre en la novena lisina de la tercera histona (H3K9). Si bien una sola metilación de esta región permite que los genes unidos permanezcan transcripcionalmente activos, ^{[ 19 ]} en la heterocromatina este residuo de lisina a menudo se metila dos o tres veces, H3K9me2 o H3K9me3 respectivamente, para asegurar que el ADN unido esté inactivo. Investigaciones más recientes han demostrado que H3K27me3 y H4K20me1 también son comunes en embriones tempranos. Otras marcas de metilación asociadas con áreas transcripcionalmente activas del ADN, H3K4me2 y H3K4me3, están ausentes en el cromosoma Xi junto con muchas marcas de acetilación. Aunque se sabía que ciertas marcas de metilación de histonas del Xi permanecían relativamente constantes entre especies, recientemente se ha descubierto que diferentes organismos e incluso diferentes células dentro de un mismo organismo pueden tener diferentes marcas para su inactivación del cromosoma X. ^{[ 20 ]} A través de la metilación de histonas, se produce la impronta genética , de modo que el mismo homólogo X permanece inactivado a través de las replicaciones cromosómicas y las divisiones celulares.

Debido a que la metilación de las histonas regula gran parte de los genes que se transcriben, incluso cambios leves en los patrones de metilación pueden tener efectos nefastos en el organismo. Las mutaciones que aumentan o disminuyen la metilación provocan grandes cambios en la regulación génica, mientras que las mutaciones en enzimas como la metiltransferasa y la desmetiltransferasa pueden alterar por completo las proteínas que se transcriben en una célula determinada. La sobremetilación de un cromosoma puede provocar la inactivación de ciertos genes necesarios para el funcionamiento celular normal. En una cepa de levadura específica, Saccharomyces cerevisiae , una mutación que causa la metilación de tres residuos de lisina en la tercera histona (H3K4, H3K36 y H3K79) provoca un retraso en el ciclo celular mitótico, ya que muchos genes necesarios para este proceso se inactivan. Esta mutación extrema conduce a la muerte del organismo. Se ha descubierto que la eliminación de genes que eventualmente permitirán la producción de histona metiltransferasa permite que este organismo viva ya que sus residuos de lisina no están metilados. ^{[ 21 ]}

En los últimos años, los investigadores han constatado que muchos tipos de cáncer se deben en gran medida a factores epigenéticos. El cáncer puede originarse de diversas maneras debido a la metilación diferencial de las histonas. Desde el descubrimiento de los oncogenes y los genes supresores de tumores, se sabe que un factor importante en la aparición y la supresión del cáncer reside en nuestro propio genoma. Si las regiones cercanas a los oncogenes se desmetilan, estos genes causantes de cáncer pueden transcribirse a un ritmo alarmante. Lo contrario ocurre con la metilación de los genes supresores de tumores. En los casos en que las regiones cercanas a estos genes están altamente metiladas, el gen supresor de tumores no está activo y, por lo tanto, es más probable que se produzca cáncer. Estos cambios en el patrón de metilación suelen deberse a mutaciones en las metiltransferasas y las desmetiltransferasas. ^{[ 22 ]} Otros tipos de mutaciones en proteínas como la isocitrato deshidrogenasa 1 (IDH1) y la isocitrato deshidrogenasa 2 (IDH2) pueden causar la inactivación de la histona desmetiltransferasa, lo que a su vez puede conducir a una variedad de cánceres, gliomas y leucemias, dependiendo de en qué células ocurra la mutación. ^{[ 23 ]}

En el metabolismo de un carbono, los aminoácidos glicina y serina se convierten, a través de los ciclos del folato y la metionina , en precursores de nucleótidos y SAM. Múltiples nutrientes impulsan el metabolismo de un carbono, incluyendo glucosa , serina, glicina y treonina . Los altos niveles del donante de metilo SAM influyen en la metilación de las histonas, lo que podría explicar cómo los altos niveles de SAM previenen la transformación maligna. ^{[ 24 ]}

• Código Histona
• Acetilación y desacetilación de histonas
• Histona metiltransferasa
• Metilación
• metillisina
• Impronta genética
• metilación del ADN

• Orouji, Elias y Utikal, Jochen. (2018). Abordaje epigenético del melanoma maligno: metilación de la lisina de las histonas. Clinical Epigenetics 2018 10:145 https://clinicalepigeneticsjournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13148-018-0583-z
• Gozani, O., & Shi, Y. (2014). Metilación de histonas en la señalización de la cromatina. En: Fundamentos de la cromatina (págs.  213–256). Springer New York. doi : 10.1007/978-1-4614-8624-4_5
• Shi, Yang; Whetstine, Johnathan R. (12 de enero de 2007). "Regulación dinámica de la metilación de la lisina de las histonas por desmetilasas" . Molecular Cell . 25 (1): 1– 14. doi : 10.1016/j.molcel.2006.12.010 . PMID 17218267 .