Download La cromatina y el splicing comparten etiquetas moleculares

La cromatina y el splicing comparten etiquetas
moleculares
Jesús Valdés
Las secuencias de DNA asociadas con los nucleosomas son preferentemente
exónicas. Se propone que los nucleosomas asentados en los exones relentecen el
paso de la polimerasa durante la transcripción y facilitan el reconocimiento de la
estructura exón-intrón durante el splicing.
Como un hilo que se enrosca en innumerables carretes, el DNA se asocia a los
nucleosomas (octámeros de histonas), constituyendo así a la cromatina. Las
porciones del genoma que se encuentran como DNA desnudo son más
susceptibles a degradación por la enzima nucleasa micrococal y aprovechando
esta característica, se han utilizado anticuerpos anti-histonas para
inmunoprecipitar el DNA asociado a los nucleosomas (inmunoprecipitación de
cromatina o CHIP, por sus siglas en Inglés) y secuenciarlo. La longitud de los
fragmentos de DNA protegidos de la degradación por los nucleosomas es de 147
pares de bases (pb). Funcionalmente, la cromatina y la expresión génica van de la
mano. Algunas regiones del DNA son transcripcionalmente silentes, es decir que
se encuentran en forma de heterocromatina. La formación de heterocromatina
requiere de enzimas modificadores de la cromatina que incluyen, entre otras,
metilasas de DNA, metilasas de histonas y desacetilasas de histonas
(incrementando su afinidad por el DNA). De esta manera, cuando las regiones de
DNA, que son sitios de inicio de la transcripción, se encuentran metilados o más
fuertemente asociados a histonas, no son accesibles a la RNA polimerasa.
Por otra parte, los genes de organismos eucariontes están interrumpidos por
intrones, es decir, secuencias que no están incluidas en los RNAs maduros, sean
estos mensajeros (mRNA), ribosomales (rRNA) u otros. El splicing es el mecanismo
por el cual, a partir de los transcritos primarios, se eliminan los intrones y se
fusionan las secuencias codificantes o exones. Comparados con los intrones, los
exones, en promedio son pequeños, de unos 140-150 nucleótidos (nt) y de
tamaño uniforme. A cada exón le anteceden y le suceden los sitios de splicing (ss)
aceptor o 3’ss y donador o 5’ss de los intrones flanqueantes. Estas señales son
reconocidas por la maquinaria de splicing. Sin embargo, cuando los ss alrededor
de un exón no están conservados, el exón no es reconocido por la maquinaria y
no es incluido en el mensajero maduro, generándose dos o más variantes de
splicing a partir de un transcrito primario; en este caso se dice que el splicing es
alternativo.
En apariencia estos dos campos de investigación se cultivaron de manera
independiente, pero dos trabajos seminales (1,2) que analizaron las secuencias de
los genes registrados en los bancos de información en ese momento concluyeron,
respectivamente, que: a) las secuencias ricas en AT de los intrones previenen la
formación de nucleosomas estables y facilitan el reclutamiento de proteínas que
participan en la transcripción, es decir facilitan la formación de eucromatina; y b)
los ss estaban periódicamente distribuidos en fragmentos de ~200 nt. Una
explicación propuesta para estos hallazgos fue que los nucleosomas estaban
asociados a uniones intrón-exón, posiblemente protegiendo a estos sitios y a las
secuencias codificantes de mutaciones. Con estos datos se sugirió una posible
conexión entre la estructura primaria (secuencia) exón-intrón y la organización de
los nucleosomas, que protegen 147 pb, en la cromatina.
La comunicación entre la estructura de la cromatina y la arquitectura exón-intrón
se encontró hace unas semanas por los grupos de Gil Ast (3) y de Roderic Guigó
(4). Ambos grupos realizaron un análisis profundo de las secuencias de
fragmentos de DNA de humano y de ratón, obtenidas de experimentos de
inmunoprecipitación de la cromatina (CHIP). Observaron que los nucleosomas se
posicionan preferentemente en los exones, en tanto que los intrones permanecen
sin ocuparse. Similarmente, cuando se usaron programas que predicen ocupación
de nucleosomas, basados solamente en composición de secuencias, observaron
que estas están enriquecidas en exones (y en los 50 nt adyacentes), y ausentas
en los intrones. Estos datos coinciden tanto con las señales requeridas para el
splicing, como con la longitud promedio de los exones (140-150 nt) y con los 147
pb protegidos por los nucleosomas. Tal coincidencia entre las etiquetas
moleculares de la cromatina y el splicing podrían facilitar el reconocimiento de los
exones a nivel de DNA (cromatina) y de RNA (transcrito) y no solamente durante
el reconocimiento o definición del exón por la maquinaria de splicing.
Más aún, se observó mayor ocupación de nucleosomas en exones que contienen
ss menos canónicos (exones alternativos), como si la presencia de nucleosomas
asegurase su inclusión a pesar de sus características. Paralelamente, los intrones
flanqueados por ss canónicos o pseudoexones, que no serán incluidos en un
transcrito maduro, carecen de nucleosomas, como si la ausencia de nucleosomas
no favoreciera su inclusión. Aunque hay grados: la ocupación de los nucleosomas
se incrementa a medida que incrementa la inclusión de los exones (exones
alternativos con menos de 50% de inclusión, exones alternativos con más de 50%
de inclusión y exones constitutivos).
La ocupación de los exones por los nucleosomas es en sí una interconexión de
etiquetas moleculares y de las funciones de la cromatina y el splicing. Los
nucleosomas se encuentran unidos preferentemente a fragmentos de DNA ricos
en GC, sin embargo tanto los intrones como los pseudoexones ricos en GC
carecen de nucleosomas, lo que sugiere que el splicing participa en el marcaje de
exones con nucleosomas. Este marcaje es además característico de
heterocromatina (y no es exclusiva de exones) pues ambos autores encontraron
metilasas de histonas asociadas a estos nucleosomas.
Finalmente, se propone que los nucleosomas presentes en los exones relentecen
el paso de la Polimerasa II durante la transcripción, facilitando el reconocimiento
de las señales de splicing en la maduración del transcrito.
Lecturas adicionales:
1.
Solov'ev, V.V. and Kolchanov, N.A. (1985) [Exon-intron structure of
2.
3.
4.
eukaryotic genes can be due to the nucleosome organization of chromatin
and to its related characteristics of gene expression regulation]. Dokl Akad
Nauk SSSR, 284, 232-237.
Beckmann, J.S. and Trifonov, E.N. (1991) Splice junctions follow a 205-base
ladder. Proc Natl Acad Sci U S A, 88, 2380-2383.
Schwartz, S., Meshorer, E. and Ast, G. (2009) Chromatin organization marks
exon-intron structure. Nat Struct Mol Biol, 16, 990-995.
Tilgner, H., Nikolaou, C., Althammer, S., Sammeth, M., Beato, M., Valcarcel,
J. and Guigo, R. (2009) Nucleosome positioning as a determinant of exon
recognition. Nat Struct Mol Biol, 16, 996-1001.