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Proteína estructuradora del nucleoide similar a la histona

La proteína estructuradora de nucleoides similar a la histona (H-NS) es una de las doce proteínas asociadas al nucleoide (NAPs) [ 1 ] cuya función principal es la organización d...

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La proteína estructuradora de nucleoides similar a la histona (H-NS) es una de las doce proteínas asociadas al nucleoide (NAPs) [ 1 ] cuya función principal es la organización del material genético , incluyendo la regulación de la expresión génica a través del silenciamiento xenogénico. [ 2 ] La H-NS se caracteriza por un dominio N-terminal (NTD) que consta de dos sitios de dimerización , una región de enlace que no está estructurada y un dominio C-terminal (CTD) que es responsable de la unión al ADN. [ 2 ] Aunque es una proteína pequeña (15 kDa), [ 3 ] proporciona compactación esencial del nucleoide y regulación de genes (principalmente silenciamiento) [ 2 ] y se expresa en altos niveles, funcionando como un dímero o multímero . [ 3 ] El cambio de temperatura hace que la H-NS se disocie del dúplex de ADN , permitiendo la transcripción por la ARN polimerasa, y en regiones específicas conduce a cascadas patogénicas en enterobacterias como Escherichia coli y las cuatro especies de Shigella . [ 3 ]

Figura 1: El dominio C-terminal (CTD) [ 4 ] también se conoce como dominio de unión al ADN. Los dominios NTD de H-NS se oligomerizan entre sí, mientras que el CTD se une a regiones específicas del ADN que contienen una topología específica llamada paso TpA. [ 2 ] Los residuos de aminoácidos aromáticos están etiquetados en gris, las partículas con carga negativa se muestran en rojo y las partículas con carga positiva están etiquetadas en verde azulado. Las longitudes de los enlaces de hidrógeno se muestran en magenta.

La H-NS se encuentra en las Gammaproteobacterias . Existen equivalentes funcionales en otros grupos de microbios. [ 5 ] La netropsina impide que la H-NS funcione al unirse a los fragmentos de ADN a los que se uniría. Por consiguiente, se utiliza para estudiar la función de la H-NS. [ 6 ]

Estructura

H-NS tiene una topología específica que le permite condensar el ADN bacteriano en una estructura superhelicoidal basada en evidencia de cristalografía de rayos X. [ 2 ] La estructura superhelicoidal condensada ha implicado a H-NS en la represión génica causada por la formación de oligómeros. Estos oligómeros se forman debido a la dimerización de dos sitios en el dominio N-terminal de H-NS. [ 2 ] Por ejemplo, en especies bacterianas como Salmonella typhimurium , el NTD de H-NS contiene sitios de dimerización en las hélices alfa 1, alfa 2 y alfa 3. Las hélices alfa 3 y 4 son luego responsables de crear la estructura superhelicoidal de las interacciones H-NS-ADN por asociación cabeza con cabeza ( Figura 2 ). [ 2 ] [ 7 ] H-NS también contiene una región de enlace no estructurada, también conocida como enlace Q. [ 2 ] El dominio C-terminal, también conocido como dominio de unión al ADN (DBD), muestra alta afinidad por regiones del ADN ricas en adenina y timina y presentes en un motivo en forma de gancho en un surco menor. [ 2 ] El apilamiento de bases presente en esta región rica en AT del ADN permite un ensanchamiento menor del surco menor que es preferencial para la unión. [ 2 ] Los DBD comunes incluyen las regiones AACTA y TACTA que pueden aparecer cientos de veces a lo largo del genoma. [ 2 ] Dentro de estas regiones ricas en AT, el surco menor tiene un ancho de 3,5 Å, [ 3 ] que es preferencial para la unión de H-NS. En E. coli, se observó que H-NS reestructura el genoma en microdominios in vivo . [ 2 ] Mientras que el genoma bacteriano se divide en cuatro macrodominios diferentes, incluidos Ori y Ter (macrodominio de E. coli y Shigella spp. en el que se codifica H-NS), [ 3 ] se cree que H-NS juega un papel en la formación de estos pequeños microdominios de 10 kb a lo largo del genoma. [ 2 ]

Figura 2 : Esta figura muestra la oligomerización que ocurre en las hélices alfa del NTD en H-NS (y homólogos) formando lo que se conoce como una "topología de apretón de manos" y una vista estimada de cómo el CTD se une al ADN. [ 2 ]

Función

Control de la expresión

Una función principal de H-NS es influir en la topología del ADN ( Figura 2 ). H-NS es responsable de la formación de nucleofilamentos a lo largo del ADN y de puentes ADN-ADN. H-NS es conocido como un puenteador de ADN pasivo, lo que significa que se une a dos segmentos distantes de ADN y permanece estacionario, formando un bucle. Esta formación de bucle de ADN permite a H-NS controlar la expresión génica. [ 2 ] La represión ejercida por H-NS puede lograrse mediante la unión de otra proteína o mediante cambios en la topología del ADN que pueden ocurrir debido a cambios en la temperatura y la osmolaridad , por ejemplo. [ 8 ] El dominio C-terminal (CTD) se une al ADN bacteriano de tal manera que inhibe la función de la ARN polimerasa. Esta es una característica común observada en genes adquiridos horizontalmente. [ 9 ] Los estudios estructurales de H-NS utilizan especies bacterianas como E. coli y Shigella spp. porque el dominio C-terminal está completamente conservado. [ 3 ]

El proceso de formación de complejos H-NS-ADN comienza con la unión del CTD a un sitio preferencial en el genoma. Esto puede deberse a la gran cantidad de residuos de aminoácidos con carga positiva ubicados en la región de enlace, lo que provoca que el CTD busque un sitio de unión con alta afinidad. [ 2 ] Una vez que el CTD se une a su región preferencial, paso TpA, los NTD pueden oligomerizarse y formar nucleofilamentos rígidos que, si existen condiciones favorables, se unirán más libremente entre sí para formar puentes de ADN. Esta forma de unión se conoce como "unión pasiva" y puede impedir que la ARN polimerasa continúe con la transcripción. [ 2 ] Los experimentos utilizados para respaldar este método de unión al ADN y silenciamiento génico provienen de la microscopía de fuerza atómica y estudios de molécula única in vitro . [ 2 ]

Todas las bacterias deben ser sensibles a los cambios en su entorno físico para sobrevivir. Estos mecanismos permiten activar o desactivar genes dependiendo de su entorno extracelular. [ 3 ] Muchos investigadores creen que H-NS contribuye a estas funciones sensoriales. Se ha observado que H-NS controla alrededor del 60% de los genes regulados por temperatura y puede disociarse del dúplex de ADN a 37  °C. [ 2 ] Esta sensibilidad particular observada en H-NS permite la patogénesis y es el principal foco de estudio. Fuera de un huésped, la temperatura de 32  °C impide la disociación de H-NS del plásmido de virulencia en Shigella spp. para conservar energía para la producción energéticamente costosa de proteínas involucradas en la patogénesis. [ 10 ] Se ha demostrado que la presencia de iones de magnesio (Mg 2+ ) permite que H-NS forme un cambio conformacional en la estructura de ligeramente abierto a completamente abierto que finalmente alterará la interacción entre el NTD cargado negativamente y el CTD cargado positivamente. [ 2 ] Las concentraciones de magnesio inferiores a 2 mM permiten la formación de filamentos de nucleoproteína rígidos y las altas concentraciones promueven la formación de puentes de ADN H-NS. [ 11 ] Las cargas observadas en el NTD y el CTD pueden explicar cómo el H-NS permanece sensible a los cambios de temperatura y osmolaridad (pH inferior a 7,4). [ 3 ]

La capacidad de H-NS para unir ADN mantiene bajo control la propagación de transposones . Esto es relevante para la salud humana, ya que los elementos genéticos móviles suelen portar genes patógenos. [ 5 ] H-NS también contribuye a las funciones básicas de mantenimiento al conservar estructuras cromosómicas bacterianas como horquillas y dominios de horquilla. [ 6 ]

Otras funciones

H-NS también puede interactuar con otras proteínas e influir en su función; por ejemplo, puede interactuar con la proteína motora flagelar FliG para aumentar su actividad. [ 8 ]

Importancia clínica

Figura 3 : (A) Ilustración de la asociación de H-NS al ADN de S. flexneri a 32 °C y luego, cuando la temperatura alcanza los 37 °C, H-NS se disocia del ADN, permitiendo la transcripción de virF. (B) Más adelante en el dúplex de ADN, la expresión de VirB provoca una interrupción en el silenciamiento de icsB por H-NS y la cascada puede continuar causando una infección generalizada. [ 3 ]

H-NS tiene una función conservada en la patogenicidad de bacterias gramnegativas, incluyendo Shigella spp. , Escherichia coli , Salmonella spp. y muchas otras. Está implicada en la transcripción del gen virF , causante de la disentería bacilar , una enfermedad que afecta principalmente a niños en países en desarrollo. Estas dos especies bacterianas contienen un plásmido de virulencia responsable de la invasión de las células huésped, regulado por H-NS. [ 12 ] Curiosamente, casi el 70% de los marcos de lectura abiertos (ORF) del plásmido de virulencia especializado en Shigella spp. son ricos en AT, lo que permite la regulación a largo plazo de este plásmido por H-NS. [ 3 ]

Como se mencionó anteriormente, los estudios muestran que el H-NS termosensible se disocia del ADN bacteriano a 37  °C, lo que activa la ARN polimerasa para transcribir virF , el gen responsable de la expresión de VirF. VirF es el principal regulador de la cascada de virulencia y se expresa debido a que la región "bisagra" termosensible del promotor de virF cambia de conformación, de modo que ya no es favorable para la unión del ADN por H-NS ( Figura 3 ). [ 3 ] Una vez que VirF se expresa, regula positivamente la producción de icsA , que promueve la motilidad, y virB , que codifica la siguiente proteína reguladora en la cascada de Shigella . Tan pronto como VirB se expresa, interrumpe el H-NS para el resto del plásmido de virulencia. [ 3 ]

Shigella spp. contiene "copias de seguridad moleculares" o parálogos de H-NS que se han estudiado en detalle debido a su aparente ayuda en la organización del plásmido de virulencia. [ 3 ] StpA es un parálogo de H-NS que se conserva en toda la especie, pero el otro, Sfh, se expresa únicamente en la cepa mutante 2457T de S. flexneri . [ 3 ] Esta cepa mutante es de gran interés para los investigadores porque actúa como reemplazo de H-NS, ya que 2457T no contiene el gen hns . La correlación entre H-NS y sus parálogos no se comprende bien en este momento. [ 3 ] Debido a la importancia de estos parálogos en ausencia de H-NS en la mutante, una mayor investigación y un enfoque en estos parálogos podrían conducir a tratamientos antibacterianos prometedores. [ 3 ]

Referencias

  1. ↑ Winardhi RS, Yan J, Kenney LJ (octubre de 2015). "H-NS regula la expresión génica y compacta el nucleoide: perspectivas a partir de experimentos con moléculas individuales" . Biophysical Journal . 109 (7): 1321– 1329. Bibcode : 2015BpJ...109.1321W . doi : 10.1016/j.bpj.2015.08.016 . PMC 4601063. PMID 26445432 .  
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Qin L, Erkelens AM, Ben Bdira F, Dame RT (diciembre de 2019). "Los arquitectos de los puentes de ADN bacteriano: una familia de proteínas estructural y funcionalmente conservada" . Open Biology . 9 (12) 190223. doi : 10.1098/rsob.190223 . PMC 6936261. PMID 31795918 .  
  3. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Picker MA, Wing HJ (diciembre de 2016). " H-NS, sus miembros de la familia y su regulación de los genes de virulencia en especies de Shigella" . Genes . 7 (12): 112. doi : 10.3390/genes7120112 . PMC 5192488. PMID 27916940 .  
  4. ^ Shindo H, Iwaki T, Ieda R, Kurumizaka H, ​​Ueguchi C, Mizuno T, et al. (febrero de 1995). "Estructura de la solución del dominio de unión al ADN de una proteína asociada a nucleoides, H-NS, de Escherichia coli" . Cartas FEBS . 360 (2): 125– 131. Bibcode : 1995FEBSL.360..125S . doi : 10.1016/0014-5793(95)00079-o . PMID 7875316 . S2CID 44479751 .   
  5. 1 2 Cooper, Charles; Legood, Simon; Wheat, Rachel L.; Forrest, David; Sharma, Prateek; Haycocks, James RJ; Grainger, David C. (20 de agosto de 2024). "H-NS es una proteína de captura de transposones bacterianos" . Nature Communications . 15 (1). doi : 10.1038/s41467-024-51407-5 . PMC 11335895 . 
  6. 1 2 Gavrilov, Alexey A.; Shamovsky, Ilya; Zhegalova, Irina; Proshkin, Sergey; Shamovsky, Yosef; Evko, Grigori; Epshtein, Vitaly; Rasouly, Aviram; Blavatnik, Anna; Lahiri, Sudipta; Rothenberg, Eli; Razin, Sergey V.; Nudler, Evgeny (13 de agosto de 2025). "Organización 3D elemental del genoma de E. coli activo y silenciado" . Naturaleza . doi : 10.1038/s41586-025-09396-y . PMC 12460168 . 
  7. ↑ Bloch V, Yang Y, Margeat E, Chavanieu A, Augé MT, Robert B, et al. (marzo de 2003). "El dominio de dimerización H-NS define un nuevo plegamiento que contribuye al reconocimiento del ADN". Nature Structural Biology . 10 (3): 212– 218. doi : 10.1038/nsb904 . PMID 12592399. S2CID 25761309 .   
  8. 1 2 Donato GM, Kawula TH (septiembre de 1998). "La unión mejorada de la proteína H-NS alterada a la proteína del rotor flagelar FliG causa un aumento de la velocidad de rotación flagelar y la hipermotilidad en Escherichia coli" . The Journal of Biological Chemistry . 273 (37): 24030– 24036. doi : 10.1074/jbc.273.37.24030 . PMID 9727020 . 
  9. ↑ Lucchini S, Rowley G, Goldberg MD, Hurd D, Harrison M, Hinton JC (agosto de 2006). "H-NS media el silenciamiento de genes adquiridos lateralmente en bacterias" . PLOS Pathogens . 2 (8) e81. doi : 10.1371/journal.ppat.0020081 . PMC 1550270. PMID 16933988 .  
  10. ↑ Dorman CJ (septiembre de 2014). "Proteínas asociadas al nucleoide tipo H-NS, elementos genéticos móviles y transferencia horizontal de genes en bacterias" . Plasmid . 75 : 1–11 . doi : 10.1016/j.plasmid.2014.06.004 . PMID 24998344 . 
  11. ↑ Verma SC, Qian Z, Adhya SL (diciembre de 2019). "Arquitectura del nucleoide de Escherichia coli" . PLOS Genetics . 15 (12) e1008456. doi : 10.1371/journal.pgen.1008456 . PMC 6907758. PMID 31830036 .  
  12. ↑ Picker MA, Wing HJ (diciembre de 2016). " H-NS, sus miembros de la familia y su regulación de los genes de virulencia en especies de Shigella" . Genes . 7 (12) E112. doi : 10.3390/genes7120112 . PMC 5192488. PMID 27916940 .  
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