Heterocromatina, del Cromosoma a la Proteína

*

I El concepto de heterocromatina

Definición de heterocromatina
En los organismos eucariotas, al contrario que en los procariotas, el ADN se encuentra empaquetado en forma de un complejo nucleoproteico denominado "cromatina", que contiene el mensaje hereditario. La cromatina se encuentra localizada en el núcleo y está organizada en varias entidades separadas, los cromosomas.

El concepto de heterocromatina
En 1928 Emil HEITZ, basándose en observaciones histológicas, definió la heterocromatina (HC) como los segmentos cromosómicos que aparecían muy condensados y oscuros en el núcleo en interfase. De hecho, la cromatina está formada de una maraña de fibras cuyo diámetro no solo varía durante el ciclo cellular sino que también depende de la región del cromosoma observada.
La eucromatina activa está formada por una fibra de un diámetro que corresponde al del nucleosoma, que es un segmento de ADN bicatenario enrollado alrededor de homodímeros de las histonas H2A, H2B, H3, y H4. En la eucromatina inactiva, esta fibra se enrolla sobre sí misma gracias a las histonas H1 para formar el solenoide. La interacción con otras proteínas no histonas (topoisomerasa II, proteínas de andamiaje, lamininas, ) provoca mayores grados de organización. En cuanto a la heterocromatina, la fibra que la constituye se encuentra más condensada y a menudo aparece formada por agregados. Su formación require numerosas proteínas adicionales, que incluyen las proteínas HP1 (Heterochromatin Protein 1 o proteína de la heterocromatina 1).

II Dos tipos de heterocromatina

Hay dos tipos de heterocromatina, HC constitutiva y HC facultativa, que se diferencian poco, dependiendo del AND que contienen. La riqueza en ADN satélite determina tanto la naturaleza permanente o reversible de la heterocromatina, como su polimorfismo y propiedades de tinción.

Tabla I: Propiedades que permiten diferenciar la heterocromatina constitutiva de la facultativa

II.1 Heterocromatina constitutiva

• La heterocromatina constitutiva contiene un tipo particular de ADN denominado ADN satélite, formado por gran número de secuencias cortas repetidas en tándem. Los tipos principales de este ADN son el ADN satélite alfa, y los ADN satélite I, II y III. Estas secuencias de ADN satélite son capaces de plegarse sobre sí mismas y pueden tener un papel importante en la formación de la estructura altamente compacta de la heterocromatina constitutiva.

  • La heterocromatina constitutiva es estable y conserva sus propiedades heterocromáticas durante todas las etapas del desarrollo y en todos los tejidos.

  • La heterocromatina constitutiva es altamente polimórfica, probablemente debido a la inestabilidad del ADN satélite. Este polimorfismos puede afectar, no solamente a su tamaño sino también a la localización de la heterocromatina, y aparentemente no tiene un efecto fenotípico.

  • La heterocromatina constitutiva se encuentra fuertemente teñida en la técnica de bandas C, lo que es el resultado de una renaturalización muy rápida del ADN satélite tras la desnaturalización.

   

  II.2 Heterocromatina facultativa

  • La heterocromatina facultativa se caracteriza por la presencia de secuencias repetidas tipo LINE. Estas secuencias, dispersas a lo largo del genoma, podrían promover la propagación de una estructura de cromatina condensada.

  • La heterocromatina facultativa es reversible, su estado heterocromático depende de la etapa del desarrollo y del tipo celular. Dos ejemplos de este tipo de heterocromatina son el cromosoma X inactivo (cuerpo de Barr) de las células somáticas femeninas y la vesícula sexual inactiva en la etapa del paquiteno de las meiosis masculinas.

  • La heterocromatina facultativa no es particularmente rica en ADN satélite, y por ello, no es polimórfica.

  • La heterocromatina facultativa no se encuentra nunca teñida en la técnica de bandas C.

  III Propiedades de la heterocromatina

  A pesar de las diferencias descritas anteriormente, la heterocromatina constitutiva y la heterocromatina facultativa tienen propiedades muy similares.

   

  III.1 La heterocromatina está condensada

  Este es, de hecho, lo que define la heterocromatina, y por ello es aplicable tanto a la heterocromatina constitutiva como a la facultativa. Esta elevada condensación la hace fuertemente cromofílica e inaccesible a la DNAsa I y, en general, a otras enzimas de restricción.

   

  III.2 El ADN de la heterocromatina se replica más tarde

  La incorporación de varios análogos de nucleótidos muestra que el ADN de ambos tipos de heterocromatina se replica tarde. Esto es el resultado, por un lado, de su elevado grado de condensación, que evita que la maquinaria replicativa accede fácilmente al ADN y, por otro lado, de su localización en un dominio nuclear periférico pobre en elementos activos.

   

  III.3 El ADN de la heterocromatina se encuentra metilado

  • El ADN de la heterocromatina constitutiva se encuentra altamente metilado en las citosinas. Por ello, un anticuerpo anti-5-metil citosina marca fuertemente todas las regiones de este tipo de heterocromatina.

  • Por lo que se refiere a la heterocromatina facultativa, la metilación de su ADN es menor, aunque los análisis mediante enzimas de restricción sensibles a metilación revelan una importante metilación de los islotes CpG, específicamente localizados en las regiones que controlan la expresión de los genes.

   

  III.4 En la heterocromatina las histonas se encuentran hipoacetiladas

  Las histonas puede sufrir una serie de modificaciones post-traduccionales en sus extremos N-terminales que pueden afectar a la propia actividad genética de la cromatina.

  • La hipoacetilación de las colas N-terminales de las histonas, principalmente en las lisinas, están asociadas con la cromatina inactiva. Por el contrario, las histonas hiperacetiladas son características de la cromatina activa.

  • La acetilación/desacetilación de histonas es un mecanismos absolutamente esencial para el control de la expresión génica. Existen numerosos factores de transcripción que presentan una actividad acetiltransferasa de histonas (HAT, Histone Acetyl Transferase) o desacetilasa de histonas (HDAc o Histone De-Acetylase).

   

  III.5 Las histonas de la heterocromatina se encuentran metiladas en la lisina 9

  La metilación de la lisina 9 de la histona H3 (H3-K9) parece que está muy relacionada con el proceso de heterocromatinización del genoma, tanto en la formación de heterocromatina constitutiva como facultativa.

   

  III.6 La heterocromatina es transcripcionalmente inactiva

  • A diferencia de lo que ocurre en Drosophila, la heterocromatina constitutiva humana no contiene genes y la incorporación de uridina tritiada en los cultivos celulares no producen ningún tipo de marcaje a este nivel.

  • La heterocromatina facultativa es relativamente pobre en genes, y éstos generalmente no se transcriben en el estado de heterocromatina.

   

  III.7 La heterocromatina no participa en la recombinación genética

  • De modo general se acepta que la heterocromatina constitutiva no participa en la recombinación genética. La no existencia de un emparejamiento preliminar de las regiones heterocromatínicas homólogas se podría deber al polimorfismo característico de estas regiones que lo dificultarían, aunque no lo harían imposible. La heterocromatina constitutiva también actúa reprimiendo la recombinación en la regiones de eucromatina adyacentes.

  • Por lo que respecta a la heterocromatina facultativa, tampoco participa en la recombinación meiótica cuando se encuentra en su forma inactiva.

   

  III.8 La heterocromatina tiene un instinto gregario

  El estudio de varios organismos ha mostrado que la heterocromatina constitutiva tiene una tendencia a agregarse durante la interfase.

  • En larvas de Drosophila, los centrómeros de los cromosomas politénicos, ricos en heterocromatina, pueden agregarse para formar cromocentros durante la interfase.

  • En el ratón, el número de bloques heterocromatínicos que pueden observarse en los núcleo en interfase es siempre inferior al número de regiones heterocromatínicas observadas en los cromosomas en metafase.

  • En humanos, los brazos cortos de los cromosomas acrocéntricos, formados principalmente de heterocromatina, se encuentran frecuentemente asociados en los núcleos en interfase a otros cromosomas que tienen un gran bloque de heterocromatina (1, 9 y 16).

  Esta tendencia de la heterocromatina a agregarse parece que está fuertemente unida a la presencia de secuencias de ADN satélite, aunque también pueden estar involucradas otras secuencias adicionales.

   

   

  IV Factores implicados en la heterocromatinización

  Ciertas observaciones han conducido a la identificación de varios elementos que tienen un papel importante en la formación de heterocromatina, ya sea ésta constitutiva o facultativa..

   

  IV.1 Grandes grupos de secuencias repetidas en tándem

  • El ADN satélite observado por FISH colocaliza exactamente con la heterocromatina constitutiva. Más aún, el ADN satélite tiene la característica de poder doblarse y plegarse sobre sí mismo, y esto puede ser un importante factor determinante en la formación de la estructura extremadamente compacta característica de este tipo de heterocromatina.

  • Sin embargo esto no es solo cierto para el ADN satélite. En plantas, Drosophila, y en ratón, ciertos transgenes multicopia se expresan poco, o no lo hacen, incluso cuando no están sujetos a la represión centromérica.

  Estas distintas observaciones sugieren que la repetición en tándem de una secuencia de ADN en un gran número de copias es suficiente por sí misma para promover la formación directa de heterocromatina. Tales secuencias repetidas podrían permitir la compactación de la mayor parte de la cromatina mediante la formación de estructuras características. Estas estructuras podrían ser reconocidas por proteínas específicas, como las proteínas HP1, las cuales podrían dirigir la formación de estructuras superiores de cromatina.

   

  IV.2 Metilación del ADN

  Las repeticiones largas de transgenes no conducen siempre a una inactivación transcripcional del transgén. El silenciamiento inducido por las repeticiones en tándem parece estar ligado a la presencia de secuencias de ADN, ricas en CpG, probablemente metiladas. Por ello, la propia composición de bases de las repeticiones en tándem podría jugar un papel importante en la formación de heterocromatina.

  • Recientemente se ha descrito que la proteína de union a grupos metilo MeCP2, que normalmente se une a las citosinas metiladas de ADN, tiene también la capacidad de reclutar desacetilasas de histonas (HDAc) (Figura 1). La metilación del ADN podría por tanto inducir una desacetilación de las histonas y promover de esta manera la heterocromatinización.

  • Sin embargo, la metilación del ADN no es indispensable para la formación de heterocromatina, aunque podría ser un elemento involucrado en su estabilización. De hecho, en marsupiales, el cromosoma X inactivo no está metilado y éste estado es menos estable que en mamíferos.

   

  

  Figura 1: La metilación del ADN induce la desacetilación de histonas, modificación que caracteriza a las histonas presentes tanto en la heterocromatina como en la eucromatina de expresión reprimida.
  MeCP2 se une de manera específica al ADN metilado, y recluta una HDAc que desacetila histonas (Ac= grupo acetilo; Me= grupo metilo; MeCP2= proteína 2 de unión a grupos metilo (Methyl-CpG binding Protein 2); HDAc= Desacetilasa de histonas (Histone De-Acetylase)).

   

   

  IV.3 Hipoacetilación de histonas

  Hemos visto anteriormente que la hipoacetilación de histonas es una característica de la cromatina silenciada, ya sea en forma de heterocromatina o no. Así, el bloqueo de la desacetilación de histonas mediante la adición de tricostatina A induce la hiperacetilación de éstas, lo que provoca la apertura de la estructura de la cromatina.

  • De hecho, la acetilación de las lisinas elimina la carga positive de las histonas, lo que reduce la fuerza electrostática de atracción con la carga negativa de los fosfatos del ADN. Esto contribuye a esta apertura de la cromatina.

  • Por el contrario, la desacetilación de las lisinas restaura su carga positiva por lo que promueve su atracción por el ADN, conduciendo a una cromatina más condensada.

   

  IV.4 Metilación de H3-K9

  La metilación de la lisina 9 en la histona H3 es una modificación epigenética que recientemente se ha descrito involucrada en el proceso de heterocromatinización, no solo de la heterocromatina constitutiva sino también en la formación del cromosoma X inactivo. La enzima responsable de esta metilación es la metiltransferasa de histonas SUV39H1.

  • La acetilación y metilación de H3-K9 parecen ser mutuamente excluyentes. En Drosophila, la metiltransferasa Suv39h está asociada con una desacetilasa de histonas, lo que sugiere un mecanismo molecular único para la conversión directa de una lisina 9 acetilada en una lisina 9 metilada.

  • Además, la metilación de H3-K9 crea un lugar de alta afinidad de unión para la proteína HP1 de la heterocromatina. La co-inmunoprecipitación de Suvar39h con HP1 sugiere un mecanismo de heterocromatinización basado en la interacción entre ambas proteínas y la lisina 9.

  • Finalmente, en Neurospora crassa, se ha descrito recientemente que la metilación de H3-K9 puede producir la metilación del ADN (Figura 2).

   

  

  Figura 2: La metilación de la hitona 3 en la lisina 9 (H3-K9) induce la metilación del ADN, modificación que caracteriza al ADN en la heterocromatina o en la eucromatina de expresión reprimida.
  SUVAR39H es una metiltransferasa que metila de manera específica la lisina 9 de la histona H3. Tal metilación crea un sitio de unión para proteína de heterocromatina HP1 (Heterochromatin Protein 1) que recluta una ADN metiltransferasa, capaz de metilar los CpG en el ADN (Me= grupo metilo; Methyl H3-K9= grupo metilo en la lisina 9 de la histona H3; HP1= proteína 1 de la heterocromatina; DNMT= ADN metiltransferasa, DNA Methyl transferase).

   

  IV.5 Proteínas HP1

  Las proteínas HP1 parece que tienen un papel importante en la organización de la heterocromatina. Los estudios de variegación por efecto de posición (efecto PEV, position effect variegation) en Drosophila y estudios sobre transgenes en este mismo organismo y en ratón han permitido conocer mejor el papel de estas proteínas.

  • En Drosophila, la proteína HP1 está codificada por el gen Su(var)205, que es un supresor de la variegación que puede modificar el efecto PEV. La variegación por efecto de posición se puede describer de la siguiente manera: los genes que están normalmente localizados en la eucromatina activa so, tras una reordenación cromosómica, situados cerca de una región centromérica heterocromática. Tras ello, la cromatina recién translocada se hace más compacta y comienza a asociarse a proteínas HP1 que normalmente están confinadas en los centrómeros. Más aún, los genes presentes en esta cromatina translocada comienzan a reprimirse.

  • En ratón, la inserción de un transgén cerca del centrómero puede tener consecuencias similares.

  Es interesante poner de manifiesto que, incluso cuando un transgén es reprimido, no como resultado de un efecto del centrómero sino como resultado de su presencia en múltiples copias, las proteínas HP1 también se encuentran asociadas con la cromatina reprimida.

  Las proteínas HP1 parecen ser un vínculo esencial en la formación de heterocromatina, y podrían tener el papel de organizadores de dominios cromatínicos. Estas proteínas parece que son capaces de reconocer estructuras concretas creadas por el emparejamiento y/o asociación de secuencias de ADN. Además son capaces de establecer interacciones secundarias con un gran número de otras proteínas gracias al cromodominio (CD) y al dominio cromoshadow (CSD).

   

  IV.6 ARNs nucleares

  • Parece que algunos ARNs nucleares también pueden contribuir a la formación de heterocromatina facultativa. En este sentido, por ejemplo, los transcritos del gen XIST tiene un papel esencial en la iniciación de la inactivación de uno de los cromosomas X de las células somáticas de las hembras de mamíferos.

  • Algunos estudios recientes llevados a cabo en ratón han sugerido que los transcritos nucleares pueden estar también implicados en la formación de la heterocromatina constitutiva. En las células de ratón, la heterocromatina centromérica se caracteriza por una elevada concentración de histona H3 metilada en la lisina 9 (H3-K9) y de proteínas HP1, que son rápidamente deslocalizadas tras incubación con ARNasa A. Esto sugiere que hay ARN nuclear que puede ser un importante componente estructural de la heterocromatina constitutiva.

   

   

  V Funciones de la heterocromatina

  Durante mucho tiempo el papel concreto de la heterocromatina ha sido un misterio, ya que su polimorfismo no parecía tener ningún efecto funcional o fenotípico.

   

  V.1 Papel de la heterocromatina en la organización de los dominios nucleares

  • La heterocromatina y la eucromatina ocupan dominios nucleares distintos. La heterocromatina se localiza generalmente en la periferia del núcleo anclada a la membrana nuclear. Por el contrario, la cromatina activa se localiza en una posición más central.

  • La localización preferencial de la heterocromatina contra la membrana nuclear puede deberse a la interacción de la proteína HP1 con el receptor de la lámina B, componente de la membrana interna del núcleo.

  • La localización periférica de la heterocromatina concentra los elementos activos en la porción central del núcleo, permitiendo que eucromatina activa se replique y transcriba con una eficiencia máxima.

   

  V.2 Papel de la heterocromatina en la función del centrómero

  En la mayor parte de eucariotas, los centrómeros se encuentran rodeados de una considerable masa de heterocromatina. Se ha sugerido que la heterocromatina centromérica sería necesaria para la cohesión de las cromátidas hermanas y que permitiría la disyunción normal de los cromosomas mitóticos.

  • En la levadura Schizosaccharomyces pombe, el homólogo Swi6 de la proteína HP1 es absolutamente esencial para la cohesión eficiente de las cromátidas hermanas durante la división celular.

  • Los experimentos en los cuales se ha realizado la deleción del ADN satellite muestran que una gran región de repeticiones de este tipo de ADN es indispensable para el funcionamiento correcto del centrómero.

  Se supone que la heterocromatina centromérica podría, de facto, crear un compartimento mediante el incremento de la concentración local de la variante centromérica de las histonas, CENP-A, y mediante la promoción de la incorporación de la CENP-A en lugar de la histona H3 durante la replicación.

   

  V.3 Papel de la heterocromatina en la represión génica (regulación epigenética)

  La expresión génica puede estar controlada a dos niveles:

  • Primero, a nivel local o control transcripcional, gracias a la formación de complejos locales de transcripción. Este nivel involucra secuencias de ADN relativamente pequeñas unidas a genes.

  • A nivel más global, en cuyo caso se dice que hay un control de la transcriptabilidad. Este control involucra a secuencias más largas que representan un gran dominio de cromatina, que puede estar en estado activo o inactivo. En este caso es la heterocromatina la que parece estar involucrada. Los genes que generalmente se encuentran en la eucromatina pueden, por tanto, ser silenciados cuando se encuentran cercanos a un dominio de heterocromatina.

   

  Mecanismo de inactivación en cis :
  Los reordenamientos cromosómicos pueden provocar que una región eucromática se yuxtaponga a una región heterocromática. En el momento en el que el reordenamiento elimina ciertas barreras que protegen la eucromatina la estructura heterocromática es capaz de propagarse en cis a la eucromatina adyacente, inactivando los genes que se encuentran en ella. Este es el mecanismo observado en la variegación por efecto de posición (PEV) en Drosophila y en la inactivación de ciertos transgenes en ratón.

  Mecanismo de inactivación en trans:
  Durante la diferenciación celular, ciertos genes activos pueden transponerse a un dominio nuclear heterocromático haciendo que se inactiven. Este mecanismo es el que se ha propuesto como explicación para la co-localización en los núcleos de linfocitos de la proteína IKAROS con la heterocromatina centromérica y de los genes cuya expresión controla.

   

   

  VI Enfermedades relacionadas con la heterocromatina

  VI.1 Enfermedades relacionadas con la heterocromatina constitutiva

  Estas enfermedades son generalmente el resultado de una alteración en el proceso de la diferenciación celular.

  • Algunas de ellas son constitucionales, como el síndrome ICF o el síndrome de Roberts.
    El síndrome ICF asocia Inmunodeficiencia, inestabilidad Centromérica y anomalías Faciales. Es una enfermedad recesiva rara ligada a mutaciones en el gen DNMT3B, una metiltransferasa de ADN. En esta enfermedad se encuentran particularmente desmetilados los ADN satélite II y III ricos en G-C, lo que puede producir una segregación aberrante de las cromátidas hermanas, formación de estructuras multiradiales, deleciones, micronúcleos, etc..

  • Algunas de ellas son adquiridas: en muchos tipos de cáncer se han encontrado alteraciones de la heterocromatina constitutiva, que afectan tanto a ADN como a proteínas de la heterocromatina.

    • En particular, se ha descrito que el linfoma no-Hodgkin y el myeloma multiple se encuentran asociadas a alteraciones en la constricción secundaria del cromosoma 1. Estas alteraciones son semejantes a las observadas en el síndrome ICF. De hecho, se ha demostrado la existencia de una hipometilación global del genoma, asociado, en particular, con una hipometilación del ADN satélite II.
    • Se ha descrito una disminución en la proteína HP1 alfa en el cancer de mama metastático. ésta es una proteína que generalmente se localiza en las regions heterocromatínicas de los cromosomas.

   

  VI.2 Enfermedades relacionadas con la heterocromatina facultativa

  • Estas enfermedades pueden ser el resultado de un defecto en la inactivación de un cromosoma X en las células somáticas femeninas (por mutaciones en el gen XIST) y pueden conducir a la expresión de enfermedades recesivas ligadas al cromosoma X en las mujeres.

  • También pueden ser el resultado de la existencia de defectos en la condensación de la vesícula sexual en las células germinales masculinas, lo que puede conducir a esterilidad debido a una parada de la meiosis en la fase de paquiteno.

   

   

  VII Conclusión

  Como conclusión, aunque la heterocromatina es una estructura aparentemente amorfa y aislada en la periferia nuclear, parece tener un papel absolutamente esencial en la organización y función del genoma.

  A través de esta revisión hemos mostrado las principales características de la heterocromatina, tanto constitutiva como facultativa. También hemos mostrado que las propiedades de la heterocromatina constitutiva no son diferentes, en sus fundamentos, de las propiedades de la heterocromatina facultativa. Por ello, parece bastante claro que los mecanismos responsables de la heterocromatinización facultativa, básicamente mecanismos epigenéticos, son los mismos que intervienen en la represión de la eucromatina en general.

  Traducción : José Luis Vizmanos. Departamento de Genética, Facultad de Ciencias. Universidad de Navarra. Pamplona, Spain.

  ---

  Contributor(s)

  Written	2003-01	Marie-Genevièvee Mattei, Judith Luciani
  		INSERM U 491, Faculté de Médecine, Bd Jean Moulin, 13385 Marseille, France