HMGN

Las proteínas HMGN ( de unión a nucleosomas del grupo de alta movilidad ) son miembros de la clase más amplia de proteínas cromosómicas del grupo de alta movilidad (HMG) que participan en la regulación de la transcripción , la replicación , la recombinación y la reparación del ADN .

HMGN1 y HMGN2 (inicialmente designadas HMG-14 y HMG-17 respectivamente) fueron descubiertas por el grupo de investigación de EW Johns a principios de la década de 1970. ^[1] HMGN3 , HMGN4 y HMGN5 se descubrieron más tarde y son menos abundantes. Las HMGN son proteínas de unión a nucleosomas que ayudan en la transcripción, replicación, recombinación y reparación del ADN. También pueden alterar el paisaje epigenético de la cromatina , ayudando a estabilizar la identidad celular. ^[2] Todavía se sabe relativamente poco sobre su estructura y función. ^[1] Las proteínas HMGN se encuentran en todos los vertebrados y desempeñan un papel en la estructura de la cromatina y la modificación de las histonas . ^[3] Las HMGN vienen en largas cadenas de aminoácidos, que contienen alrededor de 100 para HMGN1-4 y aproximadamente 200 en HMGN5. ^[3] Las investigaciones recientes sobre la familia HMGN se centran en su efecto sobre la identidad celular y en cómo la reducción de HMGN se relaciona con la reprogramación inducida de fibroblastos embrionarios de ratón (MEF). ^[2]

Gran parte de la investigación que se ha realizado sobre las proteínas HMGN se ha realizado in vitro, mientras que hay relativamente poco sobre la función y los roles in vivo de las proteínas HMGN.

Debido a que estas proteínas se encuentran predominantemente en eucariotas superiores, el uso de microorganismos y otros eucariotas inferiores se ha considerado insuficiente para determinar las funciones in vivo de las proteínas HMGN. ^[4] Se realizó un estudio con ratones knockout para ver el efecto, si lo hubiera, que desempeñan las proteínas HMGN a nivel de organismo completo. Esto dio como resultado que los ratones mostraron una mayor sensibilidad a la radiación UV cuando tenían niveles inferiores a los normales de HMGN(2). Esto indicaría que la HMGN podría facilitar la reparación del daño UV. El mismo aumento de sensibilidad se observó en ratones expuestos a la radiación gamma, sin embargo, los procesos celulares que reparan el ADN en ambos casos son drásticamente diferentes, lo que conduce a un estado no concluyente sobre si las proteínas HMGN facilitan la reparación del ADN in vivo. ^[5]

HMGN1 y HMGN2 no se localizan conjuntamente dentro de las células vivas. ^[4] Esto es una indicación de posibles funciones diferentes de cada HMGN. ^[4]

Las proteínas HMGN forman parte de un grupo más amplio de proteínas conocidas como proteínas cromosómicas del grupo de alta movilidad (HMG). Este grupo más grande recibió este nombre por su alta movilidad electroforética en geles de poliacrilamida y se diferencia en 3 grupos distintos pero relacionados, uno de ellos son las proteínas HMGN. ^[7] La ​​familia HMGN se puede dividir en proteínas específicas, que son HMGN1, HMGN2, HMGN3, HMGN4 y HMGN5. Los tamaños generales de las proteínas varían de una a otra, pero las HMGN1-4 tienen un promedio de 100 aminoácidos. ^[1] Mientras que las proteínas HMGN5 más grandes tienen más de 300 aminoácidos de longitud en ratones y aproximadamente 200 en humanos. ^[3]

HMGN1 y HMGN2 se encuentran entre las proteínas HMGN más comunes. El propósito y la función principales son reducir la compactación de la cromatina celular mediante la unión a los nucleosomas. ^[8] La evidencia de RMN muestra que la reducción de la compactación ocurre cuando las proteínas se dirigen a los elementos principales que son responsables de la compactación de la cromatina. ^[1] Estos tienen tasas de expresión que se correlacionan con la diferenciación de las células en las que están presentes. Las áreas que han experimentado diferenciación tienen niveles de expresión reducidos en comparación con las áreas indiferenciadas, donde HMGN1 y HMGN2 se expresan en gran medida. ^[8]

La HMGN3 tiene dos variantes, HMGN3a y HMGN3b. ^[1] A diferencia de las proteínas HMGN1 y HMGN2, ambas formas de HMGN3 tienden a ser específicas de un tejido y del desarrollo. ^[1] Solo se expresan en ciertos tejidos en etapas específicas del desarrollo. No hay preferencia por un tejido determinado dada por las dos variantes de las proteínas HMGN3. Existe la misma probabilidad de que cualquiera de ellas esté presente en un determinado tejido con una alta expresión de HMGN3. ^[8] El cerebro y los ojos en particular son áreas en las que la HMGN3 se expresa intensamente, así como en las células de los islotes pancreáticos adultos. ^[1] Se ha demostrado que la pérdida de HMGN3 en ratones ha provocado una aparición leve de diabetes debido a la secreción ineficaz de insulina. ^[9]

El descubrimiento de HMGN4 fue realizado por GenBank durante una búsqueda en una base de datos y lo identificó como un "nuevo transcrito similar a HMGN2", lo que indica que HMGN4 está estrechamente relacionado con HMGN2. ^[1] Se han realizado muy pocas investigaciones sobre las proteínas HMGN4. El gen asociado con la producción de HMGN4 se encuentra en una región asociada con la esquizofrenia en el cromosoma 6. ^[8] Hasta este punto, se han identificado todos los tipos de HMGN en los vertebrados, pero HMGN4 solo se ha visto e identificado en primates. ^[1] Dentro de los humanos, HMGN4 ha mostrado altos niveles de expresión en la tiroides, el timo y los ganglios linfáticos. ^[1]

La más reciente incorporación a la familia de proteínas HMGN es la HMGN5. Es más grande que las HMGN anteriores, ya que contiene más de 300 aminoácidos, debido a un dominio C-terminal largo que varía según la especie, lo que explica por qué los ratones y los humanos tienen un tamaño diferente de HMGN5. ^[1] Su función biológica es desconocida, pero se ha demostrado que se expresa en el desarrollo placentario. ^[8] También ha habido casos en los que HMGN5 estaba presente en tumores humanos, incluidos el cáncer de próstata, el cáncer de mama, el cáncer de pulmón, etc. ^[1] Por esta razón, se cree que HMGN5 podría tener algún vínculo con el cáncer y podría ser un objetivo potencial para la terapia contra el cáncer en el futuro.

La localización de las HMGN durante la mitosis es objeto de varios estudios. Es muy difícil datar su organización intranuclear durante las distintas etapas del ciclo celular. Existe una superfamilia de proteínas nucleares abundantes y ubicuas que se unen a la cromatina sin ninguna secuencia de ADN conocida, que está compuesta por las familias HMGA, HMBG y HMGN. La HMGA se asocia a la cromatina durante todo el ciclo celular, localizándose en el andamiaje del cromosoma en metafase. Tanto la HMGB como la HMGN se asocian al cromosoma mitótico. Las interacciones de todas las HMG con la cromatina son muy dinámicas, las proteínas se mueven constantemente por todo el núcleo.

Los nucleosomas de muestra para sitios de unión potenciales se realizan de manera "detenida y continua", siendo el paso de "detención" más largo que el paso de "continuación". Mediante el uso de estudios de inmunofluorescencia, imágenes de células vivas, ensayos de cambio de movilidad en gel y complementación de fluorescencia bimolecular, se determinó lo anterior y también mediante la comparación de las propiedades de unión a la cromatina de proteínas de tipo salvaje y mutantes HMGN. En conclusión, las HMGN pueden asociarse con la cromatina mitótica. Sin embargo, la unión de HMGN a la cromatina mitótica no depende de un dominio de unión nucleosómico de HMGN funcional y es más débil que la unión a nucleosomas en interfase en los que las HMGN forman complejos específicos con nucleosomas. ^[10]

Los nucleosomas sirven como núcleo proteico (formado por 8 histonas) alrededor del cual se envuelve el ADN, funcionando como base para las estructuras de cromatina más grandes y condensadas de los cromosomas. Las proteínas HMGN compiten con la histona H1 (histona de enlace que no forma parte del nucleosoma central) por los sitios de unión del nucleosoma. ^[11] Una vez ocupada, una proteína no puede desplazar a la otra. Sin embargo, ambas proteínas no están asociadas permanentemente a los nucleosomas y pueden eliminarse mediante modificaciones postranscripcionales. En el caso de las proteínas HMGN, la proteína quinasa C (PKC) puede fosforilar los aminoácidos de serina en el dominio de unión del nucleosoma presente en todas las variantes de HMGN. ^[12] Esto le da a las HMGN un carácter móvil, ya que pueden unirse y desvincularse continuamente de los nucleosomas dependiendo del entorno intracelular y la señalización.

La competencia activa entre las HMGN y las H1 desempeña un papel activo en la remodelación de la cromatina y, como resultado, desempeña un papel en el ciclo celular y la diferenciación celular, donde la compactación y descompactación de la cromatina determinan si se expresan o no determinados genes. La acetilación de histonas suele estar asociada a la cromatina abierta, y la metilación de histonas suele estar asociada a la cromatina cerrada.

Con el uso de la secuenciación ChIP es posible estudiar el ADN emparejado con proteínas para determinar qué tipo de modificaciones de histonas están presentes cuando los nucleosomas están unidos a H1 o HMGN. Usando este método se encontró que la presencia de H1 correspondía a altos niveles de H3K27me3 y H3K4me3, lo que significa que la histona H3 está fuertemente metilada, lo que sugiere que la estructura de la cromatina está cerrada. ^[13] También se encontró que la presencia de HMGN correspondía a altos niveles de H3K27ac y H3K4me1 , lo que significa a la inversa que la metilación de la histona H3 está muy reducida, lo que sugiere que la estructura de la cromatina está abierta. ^[13]

Si bien aún se está investigando el papel de los HMGN, está claro que la ausencia de HMGN en los estudios de knock out (KO) y knock down (KD) da como resultado una diferencia significativa en la actividad transcripcional total de una célula. Se han realizado varios estudios del transcriptoma que muestran que varios otros genes no están regulados o están regulados a la baja debido a la ausencia de HMGN.

Curiosamente, en el caso de HMGN1 y 2, la eliminación de HMGN1 o HMGN2 solo produce cambios en unos pocos genes, pero cuando se eliminan ambos genes, el efecto es mucho más pronunciado en lo que respecta a los cambios en la actividad genética. Por ejemplo, en el cerebro de ratones, cuando solo se eliminó HMGN1, solo se reguló positivamente un gen; cuando solo se eliminó HMGN2, se reguló positivamente 19 genes y se reguló negativamente 29. Pero cuando se eliminan HMGN1 y 2, se reguló positivamente 50 genes y se reguló negativamente 41. ^[13] Si simplemente se suman los totales de los genes eliminados de HMGN1 y HMGN2, no se obtendrán los mismos resultados que con un gen DKO (doble eliminación) de HMGN1 y 2.

Esto se describe como compensación funcional, ya que tanto HMGN1 como HMGN2 son solo ligeramente diferentes en términos de estructura proteica y esencialmente hacen lo mismo. Tienen en gran medida la misma afinidad por los sitios de unión nucleosómica. Eso significa que muchas veces, si HMGN1 está ausente, HMGN2 puede reemplazarlo y viceversa. Utilizando ChIP-seq, se encontró que en los cromosomas de ratones había 16,5 K sitios donde tanto HMGN1 como HMGN2 podían unirse, 14,6 K sitios que tenían preferencia por HMGN1 y solo 6,4 K sitios que tenían preferencia por HMGN2. Las diferencias en la actividad de HMGN1 y HMGN2 son pronunciadas en el cerebro, el timo, el hígado y el bazo, lo que sugiere que las variantes de HMGN también tienen funciones especializadas además de su funcionalidad superpuesta. ^[13]

Esta funcionalidad superpuesta puede parecer redundante o incluso perjudicial, sin embargo, estas proteínas son fundamentales para varios procesos celulares, especialmente la diferenciación y la embriogénesis, ya que proporcionan un medio para el modelado dinámico de la cromatina. Por ejemplo, en el embrión de ratones, durante el desarrollo ocular HMGN1,2 y 3. ^[14] La expresión de HMGN1 aumenta durante las etapas iniciales del desarrollo ocular en las células progenitoras, pero disminuye en las células recién formadas y predestinadas, como las células de la fibra del cristalino. HMGN2, en contraste, permanece elevada tanto en las células oculares embrionarias como en las adultas. Se encontró que HMGN3 estaba especialmente elevado a las 2 semanas (para un ratón adulto) en las células nucleares internas y ganglionares. Esto muestra que hay una distribución desigual de HMGN en las células predestinadas y adultas.

Se ha demostrado que en el desarrollo del cerebro humano las HMGN son un componente crítico de la diferenciación neuronal y se encuentran elevadas en las células madre neuronales (células progenitoras neuronales). Por ejemplo, en un estudio de eliminación de genes, la pérdida de HMGN1,2 y 3 resultó en una menor población de astrocitos y una mayor población de células progenitoras neuronales. ^[15]

En la diferenciación de oligodendrocitos, los HMGN son fundamentales, ya que cuando se eliminan HMGN1 y HMGN2, la población de oligodendrocitos en el tejido espinal se reduce en un 65 %. ^[16] Sin embargo, debido a la compensación funcional, este efecto no se observa cuando solo se eliminan HMGN1 o HMGN2. Esta observación no es solo una correlación. Con el análisis de ChIP-seq se muestra que el modelado de la cromatina en los genes OLIG1 y HMGN2 (factores de transcripción involucrados en la diferenciación de oligodendrocitos) está en una conformación abierta y tiene HMGN unidos a los nucleosomas.

Se puede inferir que esta redundancia es realmente beneficiosa, ya que la presencia de al menos una variante de HMGN mejora enormemente la diferenciación y el desarrollo de los tejidos. Estos hallazgos se resumen en la figura de la derecha.

• Grupo de alta movilidad

• Proteínas HMGN+ en los encabezados de materias médicas (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.