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Aislante (genética)

Un aislador es un tipo de elemento cis-regulador conocido como elemento regulador de largo alcance . Presente en eucariotas multicelulares y actuando a distancias del elemento p...

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Un aislador es un tipo de elemento cis-regulador conocido como elemento regulador de largo alcance . Presente en eucariotas multicelulares y actuando a distancias del elemento promotor del gen diana, un aislador suele tener una longitud de entre 300 y 2000 pares de bases. [ 1 ] Los aisladores contienen sitios de unión agrupados para proteínas de unión al ADN específicas de secuencia [ 1 ] y median interacciones intra e intercromosómicas . [ 2 ]

Los aisladores funcionan como bloqueadores de potenciadores , como barreras o como ambos. Los mecanismos mediante los cuales un aislador realiza estas dos funciones incluyen la formación de bucles y modificaciones de nucleosomas . [ 3 ] [ 4 ] Existen muchos ejemplos de aisladores, entre ellos el aislador CTCF , el aislador gypsy y el locus de la β-globina . El aislador CTCF es especialmente importante en vertebrados , mientras que el aislador gypsy está implicado en Drosophila . El locus de la β-globina se estudió primero en pollos y luego en humanos por su actividad aislante, y ambos utilizan CTCF. [ 5 ]

Las implicaciones genéticas de los aisladores radican en su participación en un mecanismo de impronta y en su capacidad para regular la transcripción . Las mutaciones en los aisladores están relacionadas con el cáncer como resultado de la desregulación del ciclo celular , la tumorigénesis y el silenciamiento de los supresores del crecimiento.

Función

Los aislantes tienen dos funciones principales: [ 3 ] [ 4 ]

  1. Los aisladores que bloquean los potenciadores impiden que los potenciadores distales actúen sobre el promotor de los genes vecinos.
  2. Los aislantes de barrera evitan el silenciamiento de la eucromatina al inhibir la propagación de la heterocromatina vecina.

Si bien el bloqueo de potenciadores se clasifica como una interacción intercromosómica, actuar como barrera se clasifica como una interacción intracromosómica. La necesidad de aisladores surge cuando dos genes adyacentes en un cromosoma tienen patrones de transcripción muy diferentes ; es fundamental que los mecanismos inductores o represores de uno no interfieran con el gen vecino. [ 6 ] También se ha descubierto que los aisladores se agrupan en los límites de los dominios de asociación topológica (TAD) y pueden tener un papel en la partición del genoma en "vecindarios cromosómicos", regiones genómicas dentro de las cuales ocurre la regulación. [ 7 ] [ 8 ]

Algunos aislantes pueden actuar como potenciadores, bloqueadores y barreras, y otros solo tienen una de las dos funciones. [ 3 ] Algunos ejemplos de diferentes aislantes son: [ 3 ]

Mecanismo de acción

Aislantes que bloquean potenciadores

Mecanismo de acción similar para los aisladores que bloquean potenciadores; se forman dominios de bucle de cromatina en el núcleo que separan el potenciador y el promotor de un gen diana. Los dominios de bucle se forman a través de la interacción entre elementos que bloquean potenciadores que interactúan entre sí o que fijan la fibra de cromatina a elementos estructurales dentro del núcleo . [ 4 ] La acción de estos aisladores depende de su posición entre el promotor del gen diana y el potenciador aguas arriba o aguas abajo. La forma específica en que los aisladores bloquean los potenciadores depende del modo de acción de estos. Los potenciadores pueden interactuar directamente con sus promotores diana a través de bucles [ 9 ] (modelo de contacto directo), en cuyo caso un aislador impide esta interacción a través de la formación de un dominio de bucle que separa los sitios del potenciador y del promotor e impide la formación del bucle promotor-potenciador. [ 4 ] Un potenciador también puede actuar sobre un promotor a través de una señal (modelo de seguimiento de la acción del potenciador). Esta señal puede ser bloqueada por un aislante mediante la focalización de un complejo nucleoproteico en la base de la formación del bucle. [ 4 ]

Aislantes de barrera

La actividad de barrera se ha relacionado con la interrupción de procesos específicos en la vía de formación de heterocromatina. Este tipo de aislantes modifican el sustrato nucleosomal en el ciclo de reacción que es fundamental para la formación de heterocromatina. [ 4 ] Las modificaciones se logran a través de varios mecanismos, incluyendo la eliminación de nucleosomas , en la que los elementos que excluyen los nucleosomas impiden la propagación y el silenciamiento de la heterocromatina (silenciamiento mediado por cromatina). La modificación también puede realizarse mediante el reclutamiento de histona acetiltransferasas y complejos de remodelación de nucleosomas dependientes de ATP. [ 4 ]

Aislador CTCF

El aislador CTCF parece tener actividad de bloqueo de potenciadores a través de su estructura 3D [ 10 ] y no tiene conexión directa con la actividad de barrera. [ 11 ] Los vertebrados en particular parecen depender en gran medida del aislador CTCF, sin embargo, se han identificado muchas secuencias de aisladores diferentes. [ 2 ] Los vecindarios aislados formados por la interacción física entre dos loci de ADN unidos a CTCF contienen las interacciones entre los potenciadores y sus genes diana. [ 12 ]

Regulación

Un mecanismo de regulación de CTCF es mediante la metilación de su secuencia de ADN . Se sabe que la proteína CTCF se une preferentemente a sitios no metilados, por lo que la metilación de las islas CpG es un punto de regulación epigenética . [ 2 ] Un ejemplo de esto se observa en el locus improntado Igf2-H19, donde la metilación de la región de control improntada paterna (ICR) impide la unión de CTCF. [ 13 ] Un segundo mecanismo de regulación es a través de proteínas reguladoras necesarias para el correcto funcionamiento de los aisladores CTCF. Estas proteínas incluyen, entre otras, la cohesina , la ARN polimerasa y CP190. [ 2 ] [ 14 ]

aislante gitano

El elemento aislante que se encuentra en el retrotransposón gypsy de Drosophila es una de las varias secuencias que se han estudiado en detalle. El aislante gypsy se localiza en la región 5' no traducida (UTR) del retrotransposón . Gypsy afecta la expresión de genes adyacentes que se insertan en una nueva ubicación genómica , causando fenotipos mutantes específicos de tejido y presentes en ciertas etapas del desarrollo. Es probable que el aislante tenga un efecto inhibitorio sobre los potenciadores que controlan la expresión espacial y temporal del gen afectado. [ 15 ]

locus de la β-globina

Los primeros ejemplos de aisladores en vertebrados se observaron en el locus de la β-globina del pollo, cHS4 . cHS4 marca el límite entre la eucromatina activa en el locus de la β-globina y la región de heterocromatina corriente arriba, que está altamente condensada e inactiva. El aislador cHS4 actúa como barrera contra el silenciamiento mediado por la cromatina a través de la propagación de la heterocromatina, y bloquea las interacciones entre potenciadores y promotores. Una característica distintiva de cHS4 es que posee una región heterocromática repetitiva en su extremo 5'. [ 5 ]

El homólogo del locus de β-globina humana de cHS4 es HS5 . A diferencia del locus de β-globina del pollo, el locus de β-globina humana tiene una estructura de cromatina abierta y no está flanqueado por una región heterocromática 5'. Se cree que HS5 es un aislante genético in vivo, ya que posee actividad de bloqueo de potenciadores y actividad de barrera de transgenes. [ 5 ]

CTCF se caracterizó inicialmente por su función en la regulación de la expresión del gen de la β-globina. En este locus, CTCF funciona como una proteína de unión a aisladores que forma un límite cromosómico. [ 13 ] CTCF está presente tanto en el locus de la β-globina del pollo como en el locus de la β-globina humana. Dentro de cHS4 del locus de la β-globina del pollo, CTCF se une a una región (FII) que es responsable de la actividad de bloqueo del potenciador. [ 5 ]

Implicaciones genéticas

Impresión

La capacidad de los potenciadores para activar genes improntados depende de la presencia de un aislador en el alelo no metilado entre los dos genes. Un ejemplo de esto es el locus improntado Igf2-H19 . En este locus, la proteína CTCF regula la expresión improntada uniéndose a la región de control improntada (ICR) materna no metilada, pero no a la ICR paterna. Cuando se une a la secuencia materna no metilada, CTCF bloquea eficazmente la interacción de los elementos potenciadores posteriores con el promotor del gen Igf2 , dejando solo el gen H19 para expresarse . [ 13 ]

Transcripción

Cuando las secuencias aislantes se encuentran cerca del promotor de un gen, se ha sugerido que podrían servir para estabilizar las interacciones potenciador-promotor. Cuando se encuentran más lejos del promotor, los elementos aislantes competirían con el potenciador e interferirían con la activación de la transcripción . [ 3 ] La formación de bucles es común en eucariotas para acercar elementos distales (potenciadores, promotores, regiones de control del locus ) para que interactúen durante la transcripción. [ 4 ] El mecanismo de bloqueo de potenciadores por parte de los aislantes, si se encuentra en la posición correcta, podría desempeñar un papel en la regulación de la activación de la transcripción. [ 3 ]

Mutaciones y cáncer

Los aisladores de CTCF afectan la expresión de genes implicados en procesos de regulación del ciclo celular que son importantes para el crecimiento celular, la diferenciación celular y la muerte celular programada ( apoptosis ). Dos de estos genes de regulación del ciclo celular que se sabe que interactúan con CTCF son hTERT y C-MYC. En estos casos, una mutación con pérdida de función en el gen aislador de CTCF cambia los patrones de expresión y puede afectar la interacción entre el crecimiento celular, la diferenciación y la apoptosis, lo que puede conducir a la tumorigénesis u otros problemas. [ 2 ]

CTCF también es necesario para la expresión del gen represor de tumores retinoblastoma (Rb), y las mutaciones y deleciones de este gen se asocian con neoplasias malignas hereditarias . Cuando se elimina el sitio de unión de CTCF, la expresión de Rb disminuye y los tumores pueden proliferar. [ 2 ]

Otros genes que codifican reguladores del ciclo celular incluyen BRCA1 y p53 , que son supresores del crecimiento que se silencian en muchos tipos de cáncer y cuya expresión está controlada por CTCF. La pérdida de función de CTCF en estos genes conduce al silenciamiento del supresor del crecimiento y contribuye a la formación del cáncer. [ 2 ]

La activación aberrante de los aisladores puede modular la expresión de genes relacionados con el cáncer, incluidas las metaloproteinasas de matriz implicadas en la invasión de las células cancerosas. [ 16 ]

Referencias

  1. 1 2 Allison, Lizabeth A. (2012). Biología molecular fundamental . Nueva Jersey: John Wiley & Sons, Inc. págs. 300–301 . ISBN  9781118059814.
  2. 1 2 3 4 5 6 7 Yang, Jingping; Corces, Victor G. (2011). "Aisladores de cromatina: un papel en la organización nuclear y la expresión génica" . Advances in Cancer Research . 110 : 43–76 . doi : 10.1016/B978-0-12-386469-7.00003-7 . ISBN 9780123864697. ISSN 0065-230X . PMC 3175007 . PMID 21704228 .   
  3. 1 2 3 4 5 6 West, Adam G.; Gaszner, Miklos; Felsenfeld, Gary (2002-02-01). "Aisladores: muchas funciones, muchos mecanismos" . Genes & Development . 16 (3): 271– 288. doi : 10.1101/gad.954702 . ISSN 0890-9369 . PMID 11825869 .  
  4. 1 2 3 4 5 6 7 8 Gaszner, Miklos; Felsenfeld, Gary (septiembre de 2006). "Aisladores: explotación de mecanismos transcripcionales y epigenéticos" . Nature Reviews Genetics . 7 (9): 703– 713. doi : 10.1038/nrg1925 . ISSN 1471-0064 . PMID 16909129. S2CID 31291034 .   
  5. 1 2 3 4 Wai, Albert WK; Gillemans, Nynke; Raguz-Bolognesi, Selina; Pruzina, Sara; Zafarana, Gaetano; Meijer, muere; Philipsen, Sjaak; Grosveld, Frank (1 de septiembre de 2003). "HS5 de la región de control del locus de β-globina humana: un borde específico de la etapa de desarrollo en células eritroides" . La Revista EMBO . 22 (17): 4489– 4500. doi : 10.1093/emboj/cdg437 . ISSN 0261-4189 . PMC 202379 . PMID 12941700 .   
  6. ↑ Burgess-Beusse B, Farrell C, Gaszner M, Litt M, Mutskov V, Recillas-Targa F, Simpson M, West A, Felsenfeld G (diciembre de 2002). "El aislamiento de los genes de los potenciadores externos y la cromatina silenciadora" . Proc . Natl. Acad. Sci. USA . 99 (Supl. 4): 16433–7 . Bibcode : 2002PNAS...9916433B . doi : 10.1073/pnas.162342499 . PMC 139905. PMID 12154228 .  
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  13. 1 2 3 Allison, Lizabeth A. (2012). Biología molecular fundamental . Nueva Jersey: John Wiley & Sons, Inc. pág. 367. ISBN  9781118059814.
  14. ↑ Kim, Somi; Yu, Nam-Kyung; Kaang, Bong-Kiun (junio de 2015). "CTCF como una proteína multifuncional en la regulación del genoma y la expresión génica" . Experimental & Molecular Medicine . 47 (6): e166. ​​doi : 10.1038/emm.2015.33 . ISSN 2092-6413 . PMC 4491725. PMID 26045254 .   
  15. ↑ Gdula, David A.; Gerasimova, Tatiana I.; Corces, Victor G. (1996). "Análisis genético y molecular del aislador de cromatina gypsy de Drosophila" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 93 (18): 9378– 9383. Bibcode : 1996PNAS...93.9378G . doi : 10.1073/pnas.93.18.9378 . JSTOR 39717. PMC 38435. PMID 8790337 .   
  16. ↑ Llinàs-Arias P, Ensenyat-Mendez M, Íñiguez-Muñoz S, Orozco J, Valdez B (noviembre de 2023). "El aislamiento de la cromatina orquesta la reprogramación de la expresión del grupo de genes de metaloproteinasas de matriz en tumores agresivos de cáncer de mama" . Molecular Cancer . 22 (4) 190. doi : 10.1186/s12943-023-01906-8 . PMC 10683115. PMID 38017545 .  
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