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Modificación de la cromatina regulación génica
Para poder entender lo que significa realmente la modificación cromática, tenemos que estar familiarizados con el concepto deexpresión génica diferencial .
El cuerpo humano está formado por más de 200 tipos de células, y todas estas células son genéticamente idénticas, lo que significa que tienen el mismo genoma/ADN. Pero cada célula tiene un proteoma (conjunto de proteínas) diferente. Así pues, las diferencias entre los tipos de células (diferenciación celular) son simplemente el resultado de una expresión génica diferencial .
La expresióngénica diferencial es un proceso que permite a los organismos pluricelulares expresar genes de forma diferente en las distintas células. En otras palabras, ¡es la expresión de genes diferentes por células con el mismo genoma!
Por ejemplo, las células del hígado y las de la piel son genéticamente idénticas, pero expresan genes diferentes.
Laregulación (control) de la expresión génica es muy importante para la especialización celular(también conocida como diferenciación celular) porque permite a los organismos ser más eficientes con los recursos y adaptarse al entorno.
La regulación de la expresión génica eucariota se produce en cualquiera de las siguientes etapas:
Reorganización de la cromatina/Modificación de la cromatina : regula la conformación de la cromatina y la accesibilidad del ADN para la transcripción.
Controltranscripcional: regulación de la unión de la ARN polimerasa a un promotor como forma de regular/controlar la transcripción.
Controlpostranscripcional: regula las modificaciones del ARN tras la transcripción.
Controltraslacional: regula los pasos de iniciación y elongación en la traducción.
Controlpostraduccional: regula las modificaciones de las proteínas después de la traducción. A menudo, ¡el producto final de la regulación de la expresión de los genes eucariotas es una proteína!
Recuerda: la expresión génica implica los procesos de transcripción y traducción (¡transformar el ADN en ARN y luego el ARN en proteínas! Para una explicación en profundidad de todos los pasos de la regulación de la expresión génica eucariota, ¡consulta"Expresión génica eucariota"!
Definición de modificación de la cromatina
La modificación de lacromatina es el primer paso en la regulación de la expresión de los genes eucariotas, y tiene lugar antes de la transcripción. Como su nombre indica, la modificación de la cromatina es la modificación de la estructura de la cromatina de los eucariotas para regular su expresión génica.
Recuerda que el ADN de las células eucariotas está empaquetado con proteínas en un complejo muy elaborado llamado cromatina.
La cromatinaes nucleosomas sueltos/enrollados (ADN envuelto alrededor de unidades de 8 proteínas histonas , repetidamente).
El ADN tiene una carga negativa debida a los grupos fosfato, mientras que las histonas tienen una carga positiva debida a los residuos de lisina (aminoácido Lys). Así pues, esta atracción entre cargas opuestas es lo que hace que el ADN se enrolle alrededor de las histonas y forme la cromatina.
La cromatina se encuentra dentro del núcleo de una célula eucariota.
Lamodificación de la cromatina es el proceso de modificar las proteínas histonas o las secuencias de ADN para controlar la transcripción.
Para aprender sobre la expresión génica en procariotas, lee"Expresión génica procariota".
Existen dos tipos diferentes de cromatina, basados en la compactación del ADN en el cromosoma: la heterocromatina y la eucromatina.
Laheterocromatina esla región condensada del genoma con baja actividad transcripcional.
Laeucromatina es la región poco compacta del genoma, con gran actividad transcripcional y modificaciones de las histonas/ADN.
Las modificaciones de la cromatina y su función
Cuando hablamos de modificación de la cromatina, lo más probable es que nos refiramos a modificaciones que se producen en las histonas y el ADN. La función principal de la modificación de la cromatina es preparar la cromatina para la replicación y la transcripción del ADN, y esto se consigue de dos maneras:
Interrumpiendo la interacción de las histonas con el ADN.
Afectando al reclutamiento de proteínas no histónicas (proteínas con actividades enzimáticas) para modificar la cromatina.
Se han identificado diferentes modificaciones de la cromatina en las histonas. Éstas son: acetilación, metilación, fosforilación, ubiquitilación, SUMOilación (pequeñas proteínas modificadoras similares a la ubiquitina), ADP ribosilación, eliminación e isomerización de prolina. Todas estas modificaciones funcionan como reguladores de la transcripción, pero algunas de ellas también pueden regular la reparación y la replicación del ADN.
Tipos de modificación de la cromatina
Aunque los científicos han encontrado nueve tipos de modificaciones de la cromatina en las células eucariotas, sólo hablaremos de tres de ellas: la acetilación de las histonas, la metilación del ADN y la metilación de las histonas.
Acetilación de histonas
Uno de los tipos más comunes de modificación de la cromatina es laacetilación de las histonas . En este proceso, la estructura de la cromatina se afloja, haciendo que el ADN sea más accesible a los factores de transcripción (proteínas que regulan la expresión génica uniéndose directamente al ADN), ¡lo que finalmente da lugar a la activación de la ARN polimerasa para que se una al ADN e inicie la transcripción!
Las histonas son proteínas que contienen una larga "cola" polipeptídica compuesta por 25-40 aminoácidos. Esta cola puede ser modificada químicamente por enzimas celulares.
La acetilación de las histonas consiste en la unión de un grupo acetilo (-COCH3) a las moléculas de histonas para aflojar su sujeción a la molécula de ADN, formando la eucromatina. La acetilación de las histonas está asociada a la activación transcripcional .
Básicamente, para "liberar" al ADN de su envoltura alrededor de la histona, necesitamos deshacernos de la carga positiva de la histona para impedir que el ADN cargado positivamente sea atraído hacia ella. Para ello, unimos un grupo acetilo a las moléculas de histona con la ayuda de una enzima llamada histona acetiltransferasa (HAT). Esto hace que las histonas pasen de una carga positiva a una neutra, disminuyendo la afinidad de las histonas por el ADN.
Ahora que el ADN está desempaquetado, ¡está listo para la transcripción!
La acetilación de las histonas es reversible. El proceso opuesto, que consiste en eliminar el grupo acetilo de la histona, se denomina desacetilación e implica a la enzima histona desacetilasa (HDAC). La desacetilación conduce a un empaquetamiento apretado de la estructura de la cromatina(heterocromatina), y está asociada al silenciamiento de genes.
Metilación del ADN
La metilación del ADN es un tipo de modificación de la cromatina que impide/"desactiva" la transcripción del ADN bloqueando el acceso de los factores de transcripción al ADN (ej: bloquea el acceso de la ARN polimerasa al promotor).
La metilación del ADN es la adición de un grupo metilo (-CH3) a los nucleótidos de citosina del ADN, modificando la secuencia del ADN y bloqueando la transcripción. Las enzimas que impulsan este proceso se denominan ADN metiltransferasas (DNMT).
¿Cómo se produce la metilación del ADN? Durante la metilación del ADN, un grupo metilo se une a uno de los átomos de carbono de la molécula de citosina, convirtiendo la citosina en S-metil citosina.
Esta modificación en la secuencia del ADN impide que se produzca la transcripción.
Metilación de las histonas
La metilación también puede producirse en las histonas. Durante la metilación de las histonas, se añade un grupo metilo a la histona. La metilación de las histonas conduce a un mejor acceso de los factores de transcripción al ADN y a la activación de la transcripción génica si se añade un solo grupo metilo. Pero, si en cambio se añaden 2-3 grupos metilo, las colas de las histonas se tensarán, ¡reduciendo el acceso de los factores de transcripción y bloqueando la transcripción!
Otro tipo de modificación de la cromatina es la inactivación del cromosoma X, el proceso de creación de un cromosoma X totalmente inactivado en las hembras. La inactivación X se produce después de la fecundación, cuando uno de los dos cromosomas sexuales X de las hembras se inactiva por la pérdida de acetilación en las proteínas histonas de los nucleosomas. Esta inactivación es una forma de igualar la dosis de genes que expresan tanto los machos (que sólo tienen un cromosoma X) como las hembras.
Ejemplos de modificación de la cromatina
A modo de ejemplo, veamos cómo se relacionan el cáncer y las modificaciones de la cromatina. En algunos casos, la mutación de genes reguladores que afectan a la metilación del ADN y a la acetilación de las histonas conduce al desarrollo de células cancerosas (tumores).
Por ejemplo, una mutación del gen regulador DNMT3A en la metilación del ADN puede causar leucemia mieloide aguda. Otros cánceres asociados a mutaciones del DNMT3A son el adenocarcinoma de pulmón y el adenocarcinoma de colon.
Una mutación en el gen supresor de tumores MLL2 afecta a la metilación de histonas y puede provocar linfoma folicular, mientras que una mutación en el gen MLL1 afecta a la metilación de histonas y provoca leucemia aguda infantil.
¿Sabías que la modificación de la cromatina también puede afectar a los hongos? Los investigadores descubrieron que en los hongos fitopatógenos como el Ustilago maydis (hongo de la roya), ¡la modificación de la cromatina ayuda a controlar la interacción con el huésped y su capacidad de virulencia!
Modificación de la cromatina - Puntos clave
- La modificación de la cromatina (o remodelación de la cromatina) es el primer paso en la regulación de la expresión de los genes eucariotas, y ocurre antes de la transcripción.
- La modificación de la cromatina es el proceso de modificación de las proteínas histonas o de la secuencia del ADN para controlar la transcripción.
- La acetilación de las histonas es la unión de un grupo acetilo (-COCH3) a las moléculas de histonas para aflojar su sujeción a la molécula de ADN, formando la eucromatina. La acetilación de las histonas está asociada a la activación transcripcional .
- La metilación del ADN es la adición de un grupo metilo (-CH3) a los nucleótidos de citosina del ADN, modificando la secuencia del ADN y bloqueando la transcripción.
Referencias
- Kouzarides, T., Modificaciones de la cromatina y su función. Cell, 128(4), 693-705, 2007.
- Elías-Villalobos, A., Barrales, R. R., & Ibeas, J. I., Factores de modificación de la cromatina en hongos patógenos de plantas: Insights from Ustilago maydis, Fungal Genetics and Biology, 129, 52-64, 2019.
- Campbell, N. A., Biología, 2017.
- ClutchPrep, Vídeos específicos de libros de texto para estudiantes universitarios. (sin fecha). Www.clutchprep.com.
- ClutchPrep, Vídeos específicos de libros de texto para estudiantes universitarios, (s.f.).
- Mary Ann Clark, Jung Ho Choi, Douglas, M. M., & College, O., Biología. Openstax, Universidad Rice, 2018.
- Pack, P. E., Biología AP, 2013.
_______ es un proceso que permite a los organismos pluricelulares expresar genes de forma diferente en las distintas células.
Expresión génica diferencial
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