proteína reguladora de información silenciosa

Las proteínas reguladoras de información silenciosa ( SIR ) participan en la regulación de la expresión génica. Las proteínas SIR organizan la heterocromatina cerca de los telómeros , ^{[ 1 ]} el ADN ribosómico (ADNr) , ^{[ 2 ]} y en loci silenciosos, incluidos los loci de tipo de apareamiento ocultos en levaduras. ^{[ 3 ] [ 4 ]} La familia de genes SIR codifica proteínas catalíticas y no catalíticas que participan en la desacetilación de las colas de las histonas y la subsiguiente condensación de la cromatina alrededor de un andamiaje de proteína SIR. ^{[ 5 ]} Algunos miembros de la familia SIR se conservan desde las levaduras hasta los humanos.

Las proteínas SIR se han identificado en numerosos estudios y, tradicionalmente, se las ha conocido como SIR [3] (regulador de ^{información silenciosa )} , MAR [ 6 ] ( ^{regulador del tipo} de apareamiento ) , STE ^{[ 7 ]} ( estéril ), CMT ^{[ 8 ]} ( cambio de tipo de apareamiento ) o SSP ^{[ 9 ]} ( supresor estéril ), según el estudio que condujo a su identificación. Finalmente, el nombre SIR fue el que más perduró, ya que describe con mayor precisión la función de las proteínas codificadas.

Uno de los primeros estudios de levadura para identificar genes SIR fue realizado por Anita Hopper y Benjamin Hall, quienes realizaron un cribado con mutagénesis para alelos que permitieran la esporulación en un heterotálico α/α normalmente deficiente en esporulación ( ho/ho MATα/MATα ). Su cribado identificó una mutación en un gen nuevo que no estaba ligado a HO que permitía al diploide α/α esporular, como si fuera un diploide α/a, e infirieron que la mutación afectaba un cambio en el tipo de apareamiento por un mecanismo independiente de HO . ^{[ 8 ]} Posteriormente, se descubrió que el alelo CMT identificado por Hopper y Hall no causaba una conversión del tipo de apareamiento en el locus MAT, sino que permitía la expresión de genes crípticos del tipo de apareamiento que están silenciados en la levadura de tipo silvestre. ^{[ 4 ]} En su artículo que aclara el mecanismo de la mutación CMT, Haber y reconocen la contribución de Amar Klar , quien presentó sus cepas mutantes MAR que tenían propiedades similares a las de los mutantes CMT en la reunión de genética de levaduras del Laboratorio Cold Spring Harbor , lo que llevó a Haber y a considerar la hipótesis de que los mutantes cmt pueden actuar desreprimiendo información silenciosa. ^{[ 10 ]}

En el mismo año en que Haber y demostraron que el mutante cmt restaura la esporulación al desreprimir loci de tipo de apareamiento ocultos, otros dos grupos publicaron cribados de genes involucrados en la regulación de casetes de tipo de apareamiento silenciosos. ^{[ 6 ]} El primer estudio, realizado por Amar Klar, Seymour Fogel y Kathy Macleod, identificó una mutación en un diploide a/a espontáneo que causó que los productos de la esporulación fueran haploides con un fenotipo diploide aparente, según lo evaluado por la capacidad de aparearse. ^{[ 6 ]} Los autores razonaron que la mutación causó la desrepresión de los loci de tipo de apareamiento silenciosos HMa y HMα, apreciados recientemente en ese entonces, lo que permitiría que un diploide a/a esporulara y haría que los segregantes haploides que heredaran el alelo mutante se comportaran como diploides a/α a pesar de ser haploides. ^{[ 6 ]} Los autores denominaron a la mutación MAR por su aparente función en la regulación del tipo de apareamiento, y pudieron mapear la mutación en el cromosoma IV, y determinaron que estaba ubicada a 27,3 cM de un marcador trp1 de uso común . ^{[ 6 ]}

Unos meses más tarde, Jasper Rine e Ira Herskowitz publicaron un cribado diferente para genes que afectan la capacidad de la levadura para aparearse , y finalmente descubrieron la familia de genes que llamaron SIR, un nombre que permanece en el lenguaje moderno. ^{[ 3 ]} A diferencia del cribado de Klar et al. que identificó un mutante por su incapacidad para aparearse, Rine y Herskowitz adoptaron un enfoque más dirigido para descubrir factores responsables del silenciamiento del tipo de apareamiento. Específicamente, Rine y Herskowitz razonaron que una célula de levadura haploide con una mutación recesiva en matα1 podría ser complementada si la copia silenciosa de MATα se desreprimiera. Partiendo de una cepa haploide ho matα1 , Rine y Herskowitz cribaron mutantes que surgieron de la mutagénesis e identificaron cinco mutantes que restauraron un fenotipo MATα en células matα, pero no estaban ligados al locus MAT y no causaron una conversión genética entre el locus HMα y matα. ^{[ 3 ]} Estos mutantes, razonaron, eran defectuosos específicamente en silenciar los genes crípticos del tipo de apareamiento.

Finalmente, todos los mutantes resultantes del cribado original de Hopper y Hall, así como del posterior cribado de Rine y Herskowitz y del cribado de Klar et al., fueron caracterizados y mapeados, y se demostró que los genes causantes eran los mismos. ^{[ 11 ]} De hecho, los genes que ahora se denominan SIR1-4 se denominaron en algún momento MAR, CMT o STE según el cribado que identificó los mutantes.

Aunque Klar, Hartwell y Hopper identificaron mutaciones en los genes SIR y les asignaron otros nombres antes de que Rine realizara su análisis, finalmente se adoptó el nombre SIR porque Rine identificó el conjunto más completo de genes funcionalmente relacionados (SIR1-4) y porque el trabajo de Rine y Herskowitz describió con mayor precisión la función de los genes de la familia SIR. ^{[ 11 ]} Posteriormente se demostraría que, tanto en levaduras como en organismos superiores, las proteínas SIR son importantes para la regulación transcripcional de muchos dominios de cromatina.

En la levadura en gemación, las proteínas SIR se encuentran en los loci del tipo de apareamiento silencioso, los telómeros y el locus del ADNr. En los loci del tipo de apareamiento silencioso y en los telómeros, las proteínas SIR participan en el silenciamiento transcripcional de los genes dentro de su dominio de localización. En el locus del ADNr, se cree que las proteínas SIR son importantes principalmente para reprimir la recombinación entre repeticiones de ADNr, más que para suprimir la transcripción. ^{[ 12 ]}

Silenciamiento transcripcional en la levadura en gemación

En el silenciamiento transcripcional, SIR2,3,4 se requieren en cantidades estequiométricas para silenciar regiones cromosómicas específicas. En levaduras, las proteínas SIR se unen a sitios en las colas de los nucleosomas y forman un compuesto multimérico de SIR2,3,4 que condensa la cromatina y se cree que ocluye físicamente los promotores en el intervalo silenciado, impidiendo su interacción con la maquinaria de transcripción. ^{[ 12 ]} El establecimiento de dominios de heterocromatina reprimidos por SIR es un proceso complicado que involucra diferentes subconjuntos de proteínas y proteínas reguladoras dependiendo del locus en el genoma. ^{[ 12 ]} En los loci de tipo de apareamiento silencioso y en los telómeros de levadura, los factores de transcripción Abf1 ( factor de unión ARS ) y Rap1 ( proteína represora-activadora ) se asocian con secuencias de nucleótidos específicas en los silenciadores que flanquean las regiones heterocromáticas. ^{[ 13 ]} Rap1 contiene un dominio de unión a Sir3 que recluta a SIR3 a los silenciadores . ^{[ 14 ]} Una vez en los silenciadores, Sir3 recluta dímeros Sir4-Sir2 al sitio de nucleación de la cromatina. Luego, Sir2 desacetila las colas de las histonas H3 y H4, y Sir3 libre se une a los residuos de lisina H4K16,79 ahora desacetilados, y recluta dímeros Sir4-Sir2 adicionales para promover una mayor propagación del dominio de heterocromatina. ^{[ 12 ]}

Una vez que se ha extendido para cubrir un locus genómico, el SIR2,3,4 impide eficazmente la transcripción de la región que ocupa, en un proceso que se cree que depende de la oclusión física del ADN por las proteínas SIR. Recientemente, se ha demostrado que ciertos promotores son capaces de dirigir la transcripción dentro de regiones que de otro modo estarían silenciadas por las proteínas SIR. ^{[ 15 ]} Específicamente, si se induce un promotor inducible dentro de un dominio de cromatina silente, puede lograr un aumento de aproximadamente 200 veces en los niveles de expresión con pocos cambios detectables en las modificaciones covalentes de las histonas . ^{[ 15 ]}

Funciones e interacciones entre las proteínas SIR

SIR2

SIR2 es una lisina desacetilasa dependiente de NAD. ^{[ 12 ]} Fue el primer miembro descubierto de la familia de proteínas Sirtuina y está altamente conservado, con homólogos encontrados en organismos que van desde humanos hasta bacterias ^{[ 16 ]} y arqueas. ^{[ 12 ]} Interactúa con una variedad de sustratos proteicos, pero no muestra una fuerte afinidad por el ADN, la cromatina u otros factores de unión a silenciadores. ^{[ 12 ]} En cambio, depende de otras proteínas SIR para encontrar su objetivo de silenciamiento apropiado. ^{[ 12 ]}

En el complejo proteico SIR , SIR2 elimina los grupos acetilo de la lisina en las colas de las histonas H3 y H4, ^{[ 17 ]} 'preparando' el nucleosoma para el empaquetamiento de la cromatina por el componente SIR3 del complejo. ^{[ 18 ]}

Estabilización del ADNr en la levadura en gemación

Más allá de su función canónica en el complejo SIR, SIR2 también participa en la represión del ADNr. ^{[ 19 ]} Como parte del mecanismo de regulación celular, las repeticiones de ADNr se escinden del cromosoma para que no puedan expresarse. SIR2 forma un complejo con NET1 (una proteína nuclear) y CDC14 (una fosfatasa) para formar el complejo regulador del silenciamiento nucleolar y la telofase (RENT). ^{[ 19 ]} El complejo RENT secuestra el ADNr escindido en "círculos extracromosómicos", impidiendo la recombinación. La acumulación de estos círculos se ha relacionado con el envejecimiento prematuro. ^{[ 12 ]} La sirtuína 2 (SIRT2) , el análogo humano de SIR2, también se ha relacionado con enfermedades relacionadas con la edad. ^{[ 16 ]}

SIR3

SIR3 participa principalmente en la propagación de la heterocromatina, la actividad de silenciamiento del complejo proteico SIR. ^{[ 12 ]} Cuando se sobreexpresa, SIR3 conduce a la propagación más allá del sitio de nucleación normal. ^{[ 12 ]} SIR3 puede seguir operando a niveles muy bajos de SIR2 y SIR4, pero no sin ellos. ^{[ 17 ] [ 18 ]} Se une preferentemente a nucleosomas no modificados (sin acetilación en H4K16 ni metilación en H3K79), y depende de la desacetilación de H4K16 por SIR2 para potenciar el silenciamiento. ^{[ 18 ]} La metilación de H3K79 por la metiltransferasa DOT1 inhibe a SIR3, lo que resulta en una región de cromatina no silenciada. ^{[ 17 ] [ 18 ]} SIR3 es reclutado a la secuencia diana por los factores de transcripción RAP1 o ABF1. ^{[ 12 ] [ 17 ]}

SIR4

SIR4 participa en el andamiaje del ensamblaje de la cromatina silenciada. ^{[ 12 ] [ 19 ]} Se une al ADN con alta afinidad, pero baja especificidad. ^{[ 19 ]} Es más estable cuando se coexpresa con SIR2, pero ni SIR2 ni SIR3 son necesarios para que opere en los telómeros. ^{[ 12 ]} Cada mitad de la proteína SIR4 tiene responsabilidades distintas en la propagación de la heterocromatina. El extremo N de SIR4 es necesario para el silenciamiento telomérico, pero no para el silenciamiento del tipo de apareamiento homotálico (HM). ^{[ 12 ]} Por el contrario, su extremo C apoya el HM pero no la represión telomérica. ^{[ 12 ]} El extremo N está cargado positivamente y puede ser reclutado al sitio de represión telomérica por SIR1 y YKU80. ^{[ 12 ]} El extremo C contiene la región de hélice enrollada, que interactúa con SIR3 en el complejo SIR heterotrimérico y también puede interactuar con RAP1 y YKU70 para el reclutamiento a la región telomérica del cromosoma. ^{[ 17 ]} El extremo C también contiene el dominio de interacción con SIR2 (SID), donde SIR4 puede unirse al extremo N extendido de SIR2. ^{[ 12 ]} SIR2 puede catalizar reacciones sin estar unido a SIR4, pero la actividad catalítica de SIR2 se ve potenciada cuando interactúa con SIR4. ^{[ 12 ]}

Las proteínas SIR se conservan desde la levadura hasta los humanos y dan nombre a una clase de histona deacetilasas de mamíferos ( sirtuinas , homólogas de Sir2). Las sirtuinas se han relacionado con una gran variedad de características humanas, como el Alzheimer y la diabetes, y se ha propuesto que regulan la esperanza de vida. ^{[ 16 ]}